[发明专利]一种高体积分数颗粒增强Al-Si-O系复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，具体而言为涉及一种利用低温反应烧结制备高体积分数颗粒增强Al-Si-O系复合材料的方法。

技术背景

在高硅铝合金中，通过改变硅和铝的不同配比，可以获得不同性能的电子封装复合材料，而且硅和铝在地球上的含量十分的丰富，硅粉的制备工艺也十分成熟，价格低；所以高硅铝合金电子封装复合材料有着十分广阔的应用前景，高硅铝合金复合材料实际推广应用中逐渐暴露出诸如强度水平低、在海洋气候下使用时材料腐蚀的等问题；通常在合金中加入Cu、Mg，通过析出强化提高合金的室温强度，加入Fe、Ni、Mn改善合金的热稳定性，提高高温强度；而在金属基复合材料中，颗粒增强铝基复合材料具有各向异性小、微观结构均匀、易于成型、成本低廉等优点而得到人们的普遍关注。

颗粒增强铝基复合材料按照增强颗粒的来源，可分为外加和原位两种，其中原位颗粒增强铝基复合材料具有如下优点：1）增强相在基体中原位生成，其含量、尺寸及在基体上的分布可以较好地控制；2）增强相热力学的稳定性较高；3）增强相表面洁净无污染，与基体界面结合良好；4）增强相具有较小的尺寸且分布均匀，使得复合材料具有更好的力学性能；5）不需要增强相单独合成、处理和加入等工序，工艺简单、制备成本低；因此，原位铝基复合材料具有广泛的应用前景，以高硅铝合金为基体制备出原位铝基复合材料，有望开辟电子封装复合材料制备的新途径；Al₂O₃颗粒在常温和高温条件下均具有较高的强度、硬度，而且耐磨性与耐腐蚀性好，是一种性能比较优异的颗粒增强体。在原位铝基复合材料中，Al₂O₃颗粒可以通过Al-SiO₂反应体系的原位反应获得。而SiO₂粉末价格低廉、储量大、来源广，是理想的工业原材料；因此，通过Al-SiO₂反应体系制备以Al₂O₃陶瓷颗粒为增强相的原位铝基复合材料具有良好的工业应用前景。

在原位反应过程中，反应物的添加、反应过程与程度的控制以及生成物形态、尺寸和在基体中的分布等控制问题，一直是困扰原位铝基复合材料应用的关键技术问题，目前采用的主要措施包括：电磁场的作用，可以促进化学反应和生成的增强颗粒的分散，但是在反应程度和生成颗粒的尺寸控制方面比较困难；超声作用，可以促进化学反应和生成的增强颗粒的分散，但是在生成颗粒的尺寸控制方面比较困难；激光表面重熔，可以促进化学反应、生成的增强颗粒的分散，能保证反应程度，但控制生成颗粒的尺寸比较困难，制备大尺寸复合材料成本比较高；反应烧结方法，反应过程控制难，制备的复合材料致密性比较差；因此，需要开发一种新型原位铝基复合材料制备方法，能够促进化学反应过程，保证反应程度以及生成的增强颗粒在基体中的分散，并有效控制生成颗粒的尺寸，最终低成本获得大尺寸原位铝基复合材料。

发明内容

本发明提出一种高体积分数颗粒增强Al-Si-O系复合材料的制备方法，其原理是：通过在近液相线的铝合金熔体中采用搅拌方法加入经过预处理的SiO₂颗粒，设法消除浆料中的气泡，并通过浆料的冷却凝固促进Al-Si合金与SiO₂粉末的结合，然后采用反应烧结方法，在稀土类活性元素的促进下实现Al-Si-O系复合材料的低温合成，由于反应温度低可以保证形成细小的Al₂O₃颗粒和硅颗粒。

本发明提出的高体积分数颗粒增强Al-Si-O系复合材料的制备方法，其特征在于：将经过预处理的SiO₂粉末加入到处于近液相线温度的Al-Si合金熔体中，边加入边机械搅拌将SiO₂粉末与Al-Si合金熔体混合均匀，加入指定量的SiO₂粉末以后采用超声处理消除混合物浆料中的气泡，静置后浇注冷却，获得的固体材料重新加热到一定温度，通过低温反应获得颗粒增强Al-Si-O系复合材料。

所述的经过预处理的SiO₂粉末是指，经过300~400℃、30~50min干燥的形状为球性或者近似球形，尺寸为0.5~10μm的SiO₂粉末，其杂质含量不大于0.3wt.%。

所述的处于近液相线温度的Al-Si合金熔体是指，含Si为5~8wt.%、含混合稀土金属为0.5~1.0wt.%，其余为Al，温度处于液相线温度上下各10℃范围内的Al-Si合金。