[发明专利]具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为5％～90％的碳化硅和金属组成，具有微观定向结构，表现为碳化硅在金属基体中定向排列。该复合材料的制备方法为：首先配制含有碳化硅粉体的水基浆料，再利用冷冻铸造和真空冷冻干燥处理浆料得到具有定向多孔结构的坯体，压缩坯体并去除坯体中的有机质，然后烧结得到碳化硅的定向多孔骨架，最后利用液态金属熔体浸渗骨架，经凝固冷却得到具有微观定向结构的碳化硅增强金属基复合材料。本发明的复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异性能以及抗高温蠕变性能，同时其微观结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制，作为结构材料具有可观的应用前景。

技术领域

本发明涉及碳化硅增强金属基复合材料领域，尤其涉及一种具有微观定向结构的、以碳化硅增强的金属镁、镁合金与铝合金基复合材料及其制备方法。

背景技术

实现结构材料的轻量化能够在满足安全服役所需的力学性能的前提下减轻结构件的重量，从而有利于节约能源并且减少环境污染，因此具有重要的实际意义和需求。特别是在交通运输领域，汽车的轻量化能够提高汽车的燃油效率，减少燃料消耗和尾气排放，因而已成为当今汽车发展的主要趋势之一。材料轻量化的实现主要依赖于其比强度和比刚度等力学性能。轻型合金是一类具有较高的比强度和比刚度的合金材料，主要包括密度相对较低的镁合金、铝合金和钛合金，特别是分别以镁元素和铝元素为基本组元的镁合金和铝合金，因其密度相对较低(镁的密度为1.74g/cm³，铝的密度为2.70g/cm³)，而表现出相当高的比强度和比刚度，同时具有优异的塑性和韧性等力学性能，并且加工性能优良且易于回收。此外，镁合金的阻尼和散热性能优良，具有较强的抗冲击能力以及耐有机物和碱的腐蚀能力，而铝合金具有优良的导电性、导热性和耐腐蚀性。因此，镁合金和铝合金已作为重要的结构材料被广泛应用于交通运输、工程建筑、航空航天、武器装备、电子产品等技术领域。

然而，与其他金属结构材料相比，镁合金的绝对强度和刚度仍然偏低，耐磨性和耐热性差，其高温强度和抗高温蠕变性能均有待提高。以上性能缺点在铝合金中也不同程度的存在，这使得镁合金和铝合金作为轻型结构材料的应用受到较大限制。通过在金属或合金基体中引入增强相制备金属基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。镁合金和铝合金中常用的增强相包括碳化硅、碳化钛、硼化钛、碳纤维、碳纳米管等。其中，碳化硅具有强度高、硬度大、熔点高、耐磨性和化学稳定性好等优点，并且成本相对较低。以碳化硅晶须或颗粒增强的镁合金和铝合金基复合材料相比于基体金属往往表现出更高的强度、刚度和耐磨性，同时材料在高温下的力学性能可得到显著增强。

中国专利(公开号CN107523727A)公布一种掺杂有碳化硅的镁基复合材料及其制备方法，在镁合金中加入碳化硅颗粒后可以细化镁基复合材料的晶粒，复合材料的屈服强度、抗拉强度、硬度和塑性都有很大程度的提高；中国专利(公开号CN102766774A)公布一种镁合金掺杂碳化硅颗粒的增强方法，在熔炼镁合金的过程中掺杂细碳化硅和粗碳化硅颗粒，然后进行浇铸、加压和热挤压成型，提高镁合金的屈服强度、硬度和耐磨性能；中国专利(公开号CN207385299A)公布一种高模高强镁基复合材料及其制备方法，在镁合金基体中加入增强体，增强体可以是碳纳米管、碳化硅、碳化硼及石墨烯中的一种，利用强化相与位错、孪晶、晶界之间的相互作用，结合固溶、塑性变形及时效处理，大幅度提高镁合金的弹性模量；中国专利(公开号CN103074507A)公布一种刹车盘用外加碳化硅颗粒增强硅铝合金基复合材料的制备方法，该复合材料以硅铝合金为基体，通过浸润碳化硅颗粒增强，其中碳化硅颗粒浸润前需要进行化学镀铜处理，该发明制备的铝基复合材料重量轻、比强度和比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和耐磨性。