[发明专利]一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法，该以碳化硅和硅颗粒为增强相、铝铜合金为基体的复合材料具有轻质、低膨胀、高模量、高强度的特点，尤其适合空间环境使用，属于颗粒增强金属基复合材料领域。

背景技术

随着宇航技术的不断发展，航空航天领域复杂的服役环境对材料的密度、热膨胀系数、模量、强度等综合性能提出了越来越苛刻的要求。近年来，金属基复合材料以其低膨胀、高导热、高模量、一定的强度等综合性能，在航空、航天、电子、能源、交通等领域有着较为良好的应用前景，欧美一些国家研制的部分种类的碳化硅增强铝基复合材料、碳纤维增强铝基复合材料等金属基复合材料已经实现工程化应用，满足了航空航天技术应用需求，同时取得了显著的经济效益。

金属基复合材料常见的增强相有碳化硅颗粒、硅颗粒、二氧化硅颗粒、金刚石颗粒、氮化铝颗粒、三氧化二铝颗粒、碳化硼颗粒、碳纤维等，基体有铁、铝、铜、镁、钛及其合金等。具有高强度、低膨胀系数、高模量性能的增强相，可热处理强化的铝、镁等轻质合金基体已成为金属基复合材料设计及研发趋势，航空航天用复合材料中，以高硬度、高模量的碳化硅作为增强相、低密度的铝合金作为基体的铝基复合材料，技术已经较为成熟。如英国AMC公司制备的25vol.％SiC/2124Al复合材料弹性模量为115GPa，抗拉强度为690MPa，热膨胀系数为15.5×10^-6/K。但是，当碳化硅体分在25％以上时，后续机械加工较为困难。北京有色金属研究总院研制的50vol.％Si/Al-Cu复合材料弹性模量为112GPa，弯曲强度为548.3MPa，热膨胀系数为12.7×10^-6/K，具有良好的综合性能。同时，硅密度2.33g/cm³，碳化硅密度3.2g/cm³，硅密度比碳化硅密度低27.2％。

发明内容

本发明目的是提供一种轻质、低膨胀、高模量、高强度、耐空间环境的铝基复合材料及其制备方法。

碳化硅具有高模量(455GPa)、高硬度(2800Kg/mm²)、低热膨胀系数(4×10^-6/K)，其本征特性使得其作为复合材料的颗粒增强相，对于降低复合材料的热膨胀系数、提高复合材料的模量及强度有较为显著的作用。由单一体积分数的碳化硅制备的复合材料，有优异的热膨胀系数、强度、模量等综合性能。硅具有高模量(130～190GPa)、中等硬度(850Kg/mm²)、低热膨胀系数(2.6×10^-6/K)，相比碳化硅而言，其硬度降低，材料易于加工。一般而言，热膨胀系数与增强相的体积分数成负相关，而模量与其成正相关。综合考虑弹性模量、热膨胀系数、密度、加工难易程度，采用碳化硅及硅颗粒两种相作为增强相、铝合金为基体制备高体分颗粒增强铝基复合材料，是一种开发轻质、低膨胀、高强度、高模量的材料的新途径。航天环境的粒子及射线辐照环境要求材料在此服役环境下有一定的承受能力，材料的性能在较小的范围内变化，满足服役环境下由该材料制备的元器件及设备的结构及性能的稳定性。碳化硅及硅颗粒在辐照环境下具有较好的稳定性，铝铜合金辐照环境下材料本也可以维持其本征特性，把碳化硅、硅及铝铜合金复合起来，可以耐受空间辐照环境。

一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料，采用碳化硅和硅颗粒双相增强铝铜基复合材料，由碳化硅、硅和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，铝铜合金：25～40wt.％；其中，铝铜合金作为基体，碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜合金基体形成三维空间网状结构。

所述的铝铜合金采用铸造铝铜合金，其中铜的重量百分比含量为0.5wt.％～6wt.％，优选铜含量为0.5wt.％～4.5wt.％，其余为铝。所述碳化硅和硅颗粒的重量百分比之和为60wt.％～75wt.％。

为使得所制备的复合材料易于加工，所添加的碳化硅的含量不高于25％。为使得所制备的复合材料具有低热膨胀系数、高模量特性，碳化硅和硅的总含量不低于60％。

为保证铝基复合材料完全致密，铝铜合金雾化粉末的含量不低于25％，在热等静压致密化过程中，铝铜合金雾化粉末形成完整的三维空间网络。