本發明涉及低壓下制作sic陶瓷纖維/粒子強化金屬基復合材料，特別是強化al-基合金復合材料。

背景技術：

近年來，金屬基復合材料(metalmaterialcomposite:mmc)因其具有高比強度、比模量以及耐磨等優點使其在機車、航空等領域上得到了廣泛的應用。而隨著金屬基復合材料的問世，各種制作工藝如高壓加壓鑄造法和粉末冶金法等技術被開發了出來。然而這兩種方法均存在缺陷。

碳化硅(sic)由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，因其具有高強度，高模量的性能被機車、航空領域得到認可。在日本豐田汽車的剎車盤上sic粒子強化金屬合金復合材料已得到了應用。但是，目前的研究中al-基合金與sic在高溫下將發生界面反應，而一般情況下發生界面反應對材料的機械性能起到負作用，界面反應的種類越多，對機械性能的負面影響越大，違背添加剛性粒子提高金屬合金機械性能的初衷。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明通過低壓加壓法(lowpressureinfiltration:lpi)制備sic陶瓷纖維/粒子強化al-基合金復合材料，鑄造時間短，通過抑制sic/al之間的界面反應，使合金表面形成薄膜，阻止裂紋的擴散，提高了強化材料和基材的結合力使之復合材料的機械性、耐磨性得到提高。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案。

sic陶瓷纖維/粒子強化al-基合金復合材料制備方法如下：

(1)向裝有乙醇的燒杯中加入粘合劑，待粘合劑完全溶解后添加純al粒子、sic粒子和sic纖維，使液體與sic纖維/粒子均勻附著；

(2)將步驟(1)所得試料放入試管內，同時壓縮試管兩端，制成高度為1～2cm圓柱體，將圓柱體放置在773k電爐內加熱，使粘合劑全分解后取出，得到sic陶瓷胚體；

(3)將陶瓷珠粒，sic陶瓷胚體和al-基合金從下往上依次排列放置在開口直徑0.5～0.8mm的實驗管中，通過高周波加熱器加熱至al-基合金完全熔化，從試管上方加入ar氣0.2～0.4mpa到液體合金表面，使液體合金滲透到sic陶瓷胚體中；當液體合金從試管尖口中緩慢流出后停止加壓，冷卻得到al-基合金復合材料。

優選的，純al粒子直徑為18μm，sic粒子直徑為20-50μm，sic纖維為剪切長度在0.5mm，直徑20μm的纖維。在該尺寸范圍下，顆粒之間分布更均勻，顆粒間縫隙不大，試樣的耐磨性最佳。

優選的，步驟(2)具體為：將步驟(1)所得試料放入直徑為15mm的試管內，兩端同時壓縮成高為1cm圓柱體。在溫度773k的電爐內加熱1小時，使peg完全分解后取出，得到sic陶瓷胚體。

優選的，步驟(3)具體為：將直徑為1mm的陶瓷珠粒、sic陶瓷的胚體和al-基合金從下往上依次排列放置在開口直徑0.5～0.8mm的實驗管中，通過高周波加熱器加熱至1173k使al-基合金完全熔化，從試管上方加入0.2mpaar氣到液體合金表面15s后停止加壓，冷卻得到al-基合金復合材料。

優選的，所述al-基合金為cu含量為4mass％的銅鋁合金或mg含量為4mass％的鎂鋁合金或si含量為12mass％的硅鋁合金。

優選的，所述粘合劑為聚乙烯乙二醇(peg)。

開口直徑過大加壓時將會使液體合金瞬間流出，過小將會提高對壓力值要求而無法達到低壓加壓的狀態。陶瓷珠粒的加入可有效防止液體受到加壓后直接噴出，作為優選，陶瓷珠粒直徑為1mm。

本發明采用低壓加壓法在非常低的壓強下(0.2mpa)即可完成，鑄造時間一般在15秒，由于時間短，速度快，有效地抑制了界面反應的生成，在合金表面形成了一層厚度在1μm以下的薄膜。該薄膜一方面可以保護強化材料如碳化硅的表面，避免其受到損傷，另一方面該薄膜有效防止碳化硅在摩擦時脫落，阻止裂紋的擴散。提高了碳化硅和基材的結合力使復合材料的耐磨性得到提高。本發明與傳統的固相法、液相法相比具有制備工藝簡單、低成本，效率高等優點。

附圖說明

圖1為本發明金屬基復合材料的摩擦磨損測試對比結果；

圖2為sic/al-si金屬基復合材料摩擦后界面組織掃描電鏡照片；

圖3a為sic/al-cu摩擦后界面組織掃描電鏡照片；

圖3b為sic/al-cu摩擦后界面組織透射電鏡照片；

圖4a為sic/al-mg摩擦后結構組織掃描電鏡照片；

圖4b為sic/al-mg摩擦后結構組織透射電鏡照片。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明的技術方案進一步的說明，但本發明不以任何形式受限于實施例內容。實施例中所述實驗方法如無特殊說明，均為常規方法，如無特殊說明，所述化學試劑和材料，均可從商業途徑獲得。

本發明中涉及到sic/al-cu代表該復合材料是以al-4mass％cu(cu含量是4mass％)為基材，與sic粒子、sic纖維制備的復合材料；

sic/al-si代表以al-12mass％si(si含量是12mass％)為基材，與sic粒子、sic纖維制備的復合材料；；

sic/al-mg代表以al-4mass％mg(mg含量是4mass％)為基材，與sic粒子、sic纖維制備的復合材料；

實施例1

向裝有20ml乙醇的燒杯中加入2g粘合劑peg，待完全溶解后，添加純al粒子(直徑:18μm)0.8g，體積分數7.5vol.％的sic粒子(直徑50μm)，體積分數12.5vol.％的sic纖維(直徑:20μm，剪切長度0.5mm)，放入燒杯中攪拌，使液體混合物與sic粒子和sic纖維附著。將混合后的試料放入直徑15mm的試管中，同時壓縮試管的兩端，將其壓縮成高為1cm的圓柱體并放入773k電爐中加熱1小時，使peg完全分解后取出制得sic陶瓷坯體。

以al-4mass％cu為母材，將直徑為1mm的陶瓷珠粒，sic陶瓷胚體和al-4mass％cu合金從下往上依次排列放置在開口直徑0.5～0.8mm的實驗管。陶瓷珠粒作用是防止液體金屬在加壓后瞬間流光，本實施例使用的是直徑1mm的氧化鋁珠粒。通過高周波加熱器將實驗管加熱到1173k使合金完全熔化。從試管上方加入0.2mpaar氣到液體合金表面，使合金滲透到sic陶瓷胚體中，當液體合金與al粒子接觸后，al粒子立即熔化，加壓時間15s。當液體合金從試管尖口中緩慢流出后停止加壓。待冷卻后得到mmc試料。

實施例2

向裝有20ml乙醇的燒杯中加入2g粘合劑peg，待完全溶解后，添加純al粒子(直徑:18μm)0.8g，體積分數7.5vol.％的sic粒子(直徑50μm)，體積分數12.5vol.％的sic纖維(直徑:20μm，剪切長度0.5mm)，放入燒杯中攪拌，使液體混合物與sic粒子和sic纖維附著。將混合后的試料放入直徑15mm的試管中，同時壓縮試管的兩端，將其壓縮成高為1cm的圓柱體并放入773k電爐中加熱1小時，使peg完全分解后取出制得sic陶瓷坯體。

以al-4mass％mg為母材，將直徑為1mm的陶瓷珠粒，sic陶瓷胚體和al-4mass％mg合金從下往上依次排列放置在開口直徑0.5～0.8mm的實驗管。陶瓷珠粒作用是防止液體金屬在加壓后瞬間流光，本實施例使用的是直徑1mm的氧化鋁珠粒。通過高周波加熱器將實驗管加熱到1173k使合金完全熔化。從試管上方加入0.2mpaar氣到液體合金表面，使合金滲透到sic陶瓷胚體中，當液體合金與al粒子接觸后，al粒子立即熔化，加壓時間15s。當液體合金從試管尖口中緩慢流出后停止加壓。待冷卻后得到mmc試料。

實施例3

向裝有20ml乙醇的燒杯中加入2g粘合劑peg，待完全溶解后，添加純al粒子(直徑:18μm)0.8g，體積分數7.5vol.％的sic粒子(直徑50μm)，體積分數12.5vol.％的sic纖維(直徑:20μm，剪切長度0.5mm)，放入燒杯中攪拌，使液體混合物與sic粒子和sic纖維附著。將混合后的試料放入直徑15mm的試管中，同時壓縮試管的兩端，將其壓縮成高為1cm的圓柱體并放入773k電爐中加熱1小時，使peg完全分解后取出制得sic陶瓷坯體。

以al-12mass％si為母材，將直徑為1mm的陶瓷珠粒，sic陶瓷胚體和al-12mass％si合金從下往上依次排列放置在開口直徑0.5～0.8mm的實驗管。陶瓷珠粒作用是防止液體金屬在加壓后瞬間流光，本實施例使用的是直徑1mm的氧化鋁珠粒。通過高周波加熱器將實驗管加熱到1173k使合金完全熔化。從試管上方加入0.2mpaar氣到液體合金表面，使合金滲透到sic陶瓷胚體中，當液體合金與al粒子接觸后，al粒子立即熔化，加壓時間15s。當液體合金從試管尖口中緩慢流出后停止加壓。待冷卻后得到mmc試料。

對實施例1、實施2和實施例3制備的復合材料進行性能測試，按照gb/t4340采用國家維氏硬度標準氏硬度測試器，在1kg負荷下進行的測試al-4mass％cu，al-4mass％mg，al-12mass％si三種合金的維氏硬度依次為42，54，68。對于實施例3中si的含量為12％時為共晶點，擁有較高的機械性能。對上述三個材料通過摩擦磨損實驗測試三種復合材料的耐磨性，耐磨性結果如圖1所示。橫軸為摩擦距離，豎軸為質量損失，隨著摩擦距離的增加磨損越小，耐磨性能越好，由sic/al-cu制得的金屬基復合材料的磨損減量最小，其耐磨性最好。sic/al-mg復合材料的耐磨性能比sic/al-si好，但是比sic/al-cu差，這是因為sic/al-mg之間的界面反應提高了強化材料與基體之間的結合力，而sic/al-mg存在兩種界面反應物。由于反應物種類的增加，對界面之間的結合又起到了負作用。經測試實施例1al-4mass％cu基合金復合材料的硬度最低，但al-4mass％cu基合金復合材料的耐磨性最好。

通過掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡觀測實施例1、對比例1和對比例2制備的復合材料中sic與al基之間的界面反應情況。結果如圖2～4所示。通過圖2可以看出sic/al-si合金之間平滑，無界面反應發生，圖3a中可以看出sic/al-cu合金之間有界面反應發生，從圖3b中確認界面反應物為al4c3，可見在界面上發生式(1)反應：

3sic(s)+4al(l)→al4c3(s)+3si(l)(1)

從圖4a中可以看出sic/al-mg合金之間有界面反應發生，從圖4b中確認界面反應物有al4c3和mg2si兩種，即在對比例1中合金之間發生式(2)反應

4al(l)+3sic(s)+6mg(l)→al4c3(s)+mg2si(s)(2)

綜上所述，sic/al-cu生成界面物al4c3，sic/al-mg生成界面物al4c3與mg2si，sic/al-si之間無界面反應發生。