一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.金属基复合材料(metal matrix composites，mmcs)作为近些年来飞速发展的重要新型材料，不仅能够充分发挥基体和增强体的优势，而且能相互促进从而使得mmcs的性能凌驾于单一材料之上，因此受到了国内外学术界和工业界的高度重视。
3.铝基碳化硅复合材料使用了碳化硅陶瓷增强体，集合了碳化硅陶瓷和铝合金基体材料的优点，兼具碳化硅陶瓷的高模量、低热膨胀系数(在6.9～9.7
×
10
–6m/℃范围内可调)、热导率大于120w/(m
·
℃)、高耐磨性和铝合金的低密度、高耐腐蚀性、高导热导电性等优良性能，使得铝基碳化硅复合材料在航空航天、交通运输、国防军工、汽车工业，以及电子信息等领域都具有广泛应用前景。尤其是近年来随着高功率led制备技术的飞速发展和电力电子器件广泛应用，传统电子封装材料cu、al、mo、w、w-cu、mo-cu、kovar合金，以及be-beo等都具有一定的局限性，而铝基碳化硅复合材料则因具有耐腐蚀、低密度(2.6～3.2g/cm3)、高热导率(大于120w/(m
·
℃))和匹配的热膨胀系数(在6.9～9.7
×
10/℃
–1范围内可调)等优势，成为了最理想的电子封装材料之一，相应地，高性能铝基碳化硅复合材料的有效制备成为了研究的热点。
4.铝基碳化硅复合材料的制备技术主要包括粉末冶金法、搅拌熔铸法、压力熔铸法、喷射沉积法和无压渗透法等，其中粉末冶金法由于配比准确、成型温度低、且可以使碳化硅和铝合金按任意比例混合，在制备高性能铝基碳化硅复合材料方面具有更多优势。当前，采用粉末冶金法制备铝基碳化硅复合材料的专利中，往往直接将碳化硅与铝合金粉末，或/和其他一些添加剂混合，经冷模压(或冷等静压)—真空除气—热压烧结(或热等静压)制备出铝基碳化硅复合材料，碳化硅表层的脆性相sio2层不仅会降低复合材料的界面结合强度和韧性，而且sio2较低的热导率(1.4w/m
·
℃，约为sic热导率的1/350，为al热导率的1/169)也会严重降低铝基碳化硅复合材料的导热性能。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法，制备得到碳化硅体积分数高、导热性能好、塑韧性好的铝基碳化硅复合材料。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种铝基碳化硅复合材料制备方法，包括以下步骤：
8.s1、将碳化硅粉末与碳粉混合均匀得到混合物料a；
9.s2、将步骤s1得到的混合物料a加热至温度大于等于1000℃，并抽真空处理；
10.s3、在高温、真空条件下对步骤s2处理的混合物料a进行退火处理并保温，然后冷
却至室温备用；
11.s4、将步骤s3处理后的混合物料a与铝粉搅拌均匀得到混合物料b，搅拌过程中加入工业酒精；
12.s5、将步骤s4得到的混合物料b进行烘干处理并过筛；
13.s6、将步骤s5过筛处理后的混合物料b注入零件模型腔中，在100～150mpa压力下压制成型，得到碳化硅铝生坯；
14.s7、将步骤s6得到的碳化硅铝生坯在惰性气氛环境中进行分段保温烧结，制得铝基碳化硅复合材料。
15.具体的，步骤s1中，碳化硅粉末与碳粉的质量比为(200～300)：1。
16.具体的，步骤s1中，碳化硅粉末的粒径为2～100μm，碳粉的平均粒径为500nm。
17.具体的，步骤s1中，碳化硅粉末为碳化硅颗粒、碳化硅纤维或碳化硅晶须中的一种或多种组合。
18.具体的，步骤s2中，将步骤s1得到的混合物料a在氦、氖、氩、氪和/或氙气氛下进行加热处理。
19.具体的，步骤s3中，在1350～1800℃保温处理的时间为0.5～6h。
20.具体的，步骤s4中，铝粉的平均粒径为20μm，混合物料b中混合物料b中，混合物料a与铝粉的质量比为(0.5～2.8)：1。
21.具体的，步骤s5中，烘干处理的温度为50～80℃，过筛的目数为100～200目。
22.具体的，步骤s7中，分段保温烧结的温度为350～660℃。
23.本发明的另一技术方案是，根据所述铝基碳化硅复合材料制备方法制备的铝基碳化硅复合材料，碳化硅的体积分数为30％～70％，铝基碳化硅复合材料的密度为2.82～3.05g/cm3，室温时的膨胀系数为7.6～9.1
×
10
–6/℃，热导率为215～244w/m
·
℃，抗弯强度为312～464mpa。
24.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
25.本发明一种铝基碳化硅复合材料制备方法，采用高温碳热还原法去除碳化硅原料表层的sio2氧化层，同时通过真空环境下的高温退火工艺让sic原料表层的si原子逃逸出sic原料表层，剩余的碳原子重新组合形成少层石墨烯，石墨烯的层数可以通过高温退火温度和时间工艺进行调控；而石墨烯不仅具强度高，韧性好，导热性能优异的有点，而且碳化硅原料表层的石墨烯能够阻止氧原子与碳化硅接触，从而防止高脆性、低热导率的sio2氧化层形成，进而显著提高铝基碳化硅复合材料中碳化硅与铝合金的界面接触性能。
26.进一步的，碳化硅原料与碳粉的质量比为200～300:1，使碳化硅原料表面粘附一薄层碳，用于碳热反应去除碳化硅表层的sio2。
27.进一步的，碳粉的平均粒径为500nm，有利于碳粉均匀吸附到碳化硅原料表面。
28.进一步的，碳化硅原料可以是碳化硅颗粒、碳化硅纤维或碳化硅晶须，也可以是其中两种或三种碳化硅原料的组合，由于碳化硅纤维和碳化硅晶须中的缺陷少，强度高，可以进一步提高复合材料的强度和韧性。
29.进一步的，碳化硅原料和碳粉的混合物料在氦(he)、氖(ne)、氩(ar)、氪(kr)、氙(xe)等惰性气氛下加热到1000℃以上，使碳化硅原料表层的sio2与碳粉发生碳热还原反应。
30.进一步的，在1350℃～1800℃的真空条件下退火保温0.5～6h，以使碳化硅表层的sio2与碳发生反应，去除氧原子，同时使碳化硅表层的硅原子蒸发逃逸出sic晶格，并向剩余的碳原子提供足够的能量重新组合形成少层石墨烯。
31.进一步的，铝粉的平均粒径为20μm，有利于与碳化硅粉料混合均匀，并形成一定的级粒匹配，提高产品的密度，混合物料a与平均粒径为20μm铝粉按照一定质量比搅拌均匀得到混合物料b，在碳化硅和碳粉的混合物料同铝粉的搅拌过程中加入工业酒精作为过程控制剂，防止过热以及促进搅拌均匀。
32.进一步的，混合物料b烘干后进行100～200目过筛处理，进一步提高粉料粒径的均一度，相应地提高产品内部组织结构和性能的均匀稳定性。
33.进一步的，铝基碳化硅生坯在烧结设备的氦(he)、氖(ne)、氩(ar)、氪(kr)、氙(xe)等气氛环境中从350℃到660℃分段保温烧结，实现铝基碳化硅生坯的高性能烧结。
34.本发明一种铝基碳化硅复合材料，碳化硅体积百分比在30％～70％范围内连续变化，铝基碳化硅复合材料的密度为2.82～2.98g/cm3，室温时的膨胀系数为7.6～9.1
×
10
–6/℃，热导率为215～244w/m
·
℃，抗弯强度为312～464mpa，从而实现铝基碳化硅复合材料的密度、热导率和力学性能在较大范围内连续变化，适应多种应用需求。
35.综上所述，本发明制备方法简单，制备的铝基碳化硅复合材料中碳化硅体积百分比在30％～70％范围内连续变化，可以在电子封装、航空航天、汽车以及军事等众多领域适应多种应用需求。
36.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
37.图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
38.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
40.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
41.本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。
42.本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
43.本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。
44.本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一
个或多个上限。
45.本发明中，本文中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
46.本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
47.除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
48.本发明提供了一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法，采用高温碳热还原法去除碳化硅原料表层的sio2氧化层，并通过真空环境下的高温退火工艺让sic原料表层的si原子逃逸出sic原料表层，使得剩余的碳原子重新组合形成少层石墨烯，石墨烯的层数可以通过高温退火温度和时间工艺进行调控。由于石墨烯不仅具强度高，韧性好，导热性能优异，而且碳化硅原料表层的石墨烯能够阻止氧原子与内层碳化硅接触，从而可以防止高脆性、低热导率的sio2氧化层形成，进而显著提高铝基碳化硅复合材料中碳化硅与铝合金的界面接触性能，获得综合物理性能优异的铝基碳化硅复合材料。采用本发明的制备方法能够制备碳化硅体积百分比为30％～70％内连续变化的铝基碳化硅复合材料，从而实现铝基碳化硅复合材料的密度、热导率和力学性能在较大范围内连续变化，适应多种应用需求。
49.请参阅图1，本发明一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法，包括以下步骤
50.s1、将碳化硅粉末与碳粉混合均匀，得到混合物料a；
51.碳化硅粉末与碳粉的质量比为(200～300)：1。
52.其中，碳化硅粉末为碳化硅颗粒、碳化硅纤维或碳化硅晶须中的一种或多种组合。
53.s2、将步骤s1得到的混合物料a在一定气氛下加热到1000℃以上，并抽真空处理；
54.气氛为氦(he)、氖(ne)、氩(ar)、氪(kr)和/或氙(xe)气氛。
55.s3、在高温、真空条件下对步骤s2处理的混合物料a在1350～1800℃进行一次退火处理并保温0.5～6h，然后冷却至室温备用；
56.s4、将步骤s3处理后的混合物料a与铝粉装入搅拌装置中搅拌均匀混合物料b；
57.混合物料b中，混合物料a与铝粉的质量比为(0.5～2.8)：1。
58.搅拌过程中加入工业酒精作为过程控制剂，防止过热以及促进搅拌均匀。
59.s5、将步骤s4得到的混合物料b在50～80℃进行烘干处理并过筛；
60.过筛的目数为100～200目。
61.s6、将步骤s5过筛处理后的混合物料b注入零件模型腔中，在100～150mpa压力下压制成型，得到碳化硅铝生坯；
62.s7、将步骤s6得到的碳化硅铝生坯在烧结设备惰性气氛环境中从350～660℃分段保温烧结，制得综合性能优异的铝基碳化硅复合材料。
63.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
64.实施例1
65.制备碳化硅体积分数为30％的铝基碳化硅复合材料。
66.s1、称量粒径范围在50～60μm的碳化硅粉末200g和平均粒径为500nm的碳粉1g，装入混料机中，以60rpm转速混料1h；
67.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1350℃；
68.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1350℃高温下保温0.5h，然后通入1atm的ar气，冷却至室温，取出碳化硅和碳的混合物料；
69.s4、称量402g平均粒径为20μm的铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入5ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
70.s5、将步骤s4中得到的混合粉末取出后，在50℃的烘箱中烘干，100目过筛后备用；
71.s6、将步骤s5中得到的混合物料注入到零件模型腔中，在120mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
72.s7、将步骤s6中压制成型的铝/碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加入到350℃，保温30min后再缓慢加热至560℃，保温烧2h，制得铝基碳化硅复合材料。
73.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.82g/cm3，室温时的膨胀系数为9.10
×
10
–6m/℃，热导率为215w/m
·
℃，抗弯强度为312mpa。
74.实施例2
75.制备碳化硅体积分数为50％的铝基碳化硅复合材料。
76.s1、称量平均粒径为100μm的碳化硅粉末200g和平均粒径为500nm的碳粉1g，装入混料机中，以60rpm转速混料1h；
77.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1450℃；
78.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1450℃高温下保温2.5h，然后通入1atm的ar气，冷却至室温后，取出碳化硅和碳的混合物料；
79.s4、称量169g平均粒径为20μm铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入5ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
80.s5、将步骤s4中得到的混合物料取出后，在60℃的烘箱中烘干，120目过筛后备用；
81.s6、将步骤s5中得到的混合物料注入到零件模型腔中，在135mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
82.s7、将步骤s6中压制成型的铝/碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加热到450℃，保温30min后再缓慢加热至580℃，保温烧2h，制得铝基碳化硅复合材料。
83.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.90g/cm3，室温时的膨胀系数为8.81
×
10
–6m/℃，热导率为238w/m
·
℃，抗弯强度为362mpa。
84.实施例3
85.制备碳化硅体积分数为50％的碳化硅纤维增强铝基复合材料。
86.s1、称量平均直径为2μm的碳化硅短切纤维50g和平均粒径为500nm的碳粉0.25g，装入混料机中，以60rpm转速混料2h；
87.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1500℃；
88.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1500℃高温下保温0.5h，然后通入1atm的ar，冷却至室温后，取出碳化硅和碳的混合物料；
89.s4、称量42.25g平均粒径为20μm铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入3ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
90.s5、将步骤s4中得到的混合物料取出后，在65℃的烘箱中烘干，140目过筛后备用；
91.s6、将步骤s5中得到的混合粉末注入到零件模型腔中，140mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
92.s7、将步骤s6中压制成型的铝碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加入到350℃，保温1min后再缓慢加热至600℃，保温烧4h，制得铝基碳化硅纤维增强复合材料。
93.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.89g/cm3，室温时的膨胀系数为8.80
×
10
–6m/℃，热导率为236w/m
·
℃，抗弯强度为443mpa。
94.实施例4
95.制备碳化硅体积分数为50％的碳化硅颗粒和碳化硅纤维增强铝基复合材料。
96.s1、称量平均粒径为100μm的碳化硅颗粒150g、平均直径为2μm的碳化硅短切纤维50g和平均粒径为500nm的碳粉1g，装入混料机中，以60rpm转速混料2h；
97.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1800℃；
98.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1500℃高温下保温0.6h，然后通入1atm的ar，冷却至室温后，取出碳化硅和碳的混合物料；
99.s4、称量168.75g平均粒径为20μm铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入3ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
100.s5、将步骤s4中得到的混合物料取出后，在65℃的烘箱中烘干，160目过筛后备用；
101.s6、将步骤s5中得到的混合粉末注入到零件模型腔中，在140mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
102.s7、将步骤s6中压制成型的铝碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加入到450℃，保温1min后再缓慢加热至600℃，保温烧4h，制得铝基碳化硅颗粒和碳化硅纤维增强复合材料。
103.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.87g/cm3，室温时的膨胀系数为8.80
×
10
–6m/℃，热导率为235w/m
·
℃，抗弯强度为441mpa。
104.实施例5
105.制备碳化硅体积分数为45％的碳化硅颗粒、碳化硅纤维和碳化硅晶须增强铝基复合材料。
106.s1、称量平均粒径为100μm的碳化硅颗粒185g、平均直径为2μm的碳化硅短切纤维9g、平均直径为2nm的碳化硅晶须1g和平均粒径为500nm的碳粉1g，装入混料机中，以60rpm转速混料2h；
107.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1500℃；
108.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1500℃高温下保温0.5h，然后通入1atm的ar，冷却至室温后，取出碳化硅和碳的混合物料；
109.s4、称量138.5g平均粒径为20μm铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入3ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
110.s5、将步骤s4中得到的混合物料取出后，在65℃的烘箱中烘干，180目过筛后备用；
111.s6、将步骤s5中得到的混合粉末注入到零件模型腔中，在150mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
112.s7、将步骤s6中压制成型的铝碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加入到350℃，保温1min后再缓慢加热至600℃，保温烧3h，制得铝基碳化硅纤维增强复合材料。
113.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.85g/cm3，室温时的膨胀系数为8.91
×
10
–6m/℃，热导率为235.8w/m
·
℃，抗弯强度为440.5mpa。
114.实施例6
115.制备碳化硅体积分数为70％的碳化硅铝基复合材料。
116.s1、称量平均粒径为100μm的碳化硅粉末300g和平均粒径为500nm的碳粉1g，装入混料机中，以60rpm转速混料1h；
117.s2、将混合均匀的碳化硅和碳粉混合物料装入高温气氛炉的石墨托盘中，然后抽真空，并通入ar，在ar气氛下将混合物料加热到1680℃；
118.s3、打开真空泵，抽真空，在压力为0.01pa的真空环境和1680℃高温下保温0.5h，然后通入1atm的ar，冷却至室温后，取出碳化硅和碳的混合物料；
119.s4、称量109.1g平均粒径为20μm铝粉，将其与步骤s3中得到的碳化硅和碳的混合物料装入搅拌装置中，滴入5ml酒精后，打开混料机电源开关，将混合粉料搅拌均匀；
120.s5、将步骤s4中得到的混合粉末取出后，在80℃的烘箱中烘干，200目过筛后备用；
121.s6、将步骤s5中得到的混合粉末注入到零件模型腔中，在150mpa压力下压制成型，获得铝/碳化硅生坯；
122.s7、将步骤s6中压制成型的铝/碳化硅生坯在ar气氛环境中从室温加入到450℃，保温30min后再缓慢加热至650℃，保温烧4h，制得铝基碳化硅复合材料。
123.测试后发现，所得铝基碳化硅复合材料的密度为2.98g/cm3，室温时的膨胀系数为7.6
×
10
–6/℃，热导率为244w/m
·
℃，抗弯强度为464mpa。
124.综上所述，本发明一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法，可以制备碳化硅的体积分数为30％～70％，密度为2.82～2.98g/cm3，室温时的膨胀系数为7.6～9.1
×
10
–6/℃，热导率为215～244w/m
·
℃，抗弯强度为312～464mpa的铝基碳化硅复合材料，可以在电子封装、航空航天、汽车以及军事等众多领域适应多种应用需求。
125.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。