[发明专利]一种三维网络碳化硅增强金属基复合材料及制备方法

说明书

一种三维网络碳化硅增强金属基复合材料及制备方法，所述复合材料包括金属基体、三维网络碳化硅陶瓷增强相；所述三维网络碳化硅陶瓷增强相是采用三维网络碳表面渗硅得到。其制备方法，包括以木粉与短碳纤维的混合物发泡后炭化制备三维网络碳；三维网络碳表面高温渗硅制备三维网络碳化硅增强相后铸渗至金属基体中，得到三维网络碳化硅增强金属基复合材料。本发明制备的复合材料中，三维网络状碳化硅陶瓷孔隙率大、孔径小，三维网络状碳化硅在三维空间上连续并与金属基形成冶金结合。与传统的碳化硅颗粒增强金属基体，本发明具有更好的整体结构，既可以在三维方向上发挥碳化硅陶瓷的高硬度、高耐磨、高耐热性，又保持金属基体的良好韧性和导热导电性能。本发明制备的复合材料在各类恶劣工况下均表现出优良的抗震、抗冲击、耐磨性能。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域；具体涉及一种三维网络碳化硅增强金属基复合材料及制备方法。

背景技术

金属材料的应用与研究在现今的工业发展中起着重要的作用，是现代工业技术与发展所使用的主流材料，广泛应用于结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造，船舶及海洋工程制造等。然而，随着科学技术的迅猛发展和工业技术的进步，传统的金属材料越来越不能满足现代科技应用的需要。单一的金属材料由于其性能的缺陷，经常会在严苛的服役过程中发生失效现象，造成难以估计的巨大损失。

复合材料是人们采用先进技术将两种或两种以上单一材料通过复合工艺制备出的新型材料，其中各个单一材料发挥其最大的性能，使得复合材料的综合性能优于各个组成单元，从而满足更严格的使用要求。

陶瓷增强金属基复合材料是以一种或多种陶瓷相作为增强相，以金属或合金作为基体的新型复合材料。其中陶瓷相可以提高材料的耐磨性、耐热性、耐蚀性以及强度和硬度，而金属相则可以改善材料的韧性，导热性和导电性。这种复合材料被广泛应用于耐磨材料领域和酸碱性环境、防护装甲、电子封装材料等诸多领域。在其中，碳化硅陶瓷具有良好的高温力学性能，耐磨性能好，显微硬度高达3340HV，是一种良好的陶瓷增强相。

目前绝大多数碳化硅增强金属基复合材料都是将碳化硅陶瓷以粉末的形式加入基体之中进行增强。如不能控制粉末的粒径以及在基体中分散的均匀性，很容易造成局部的应力集中从而磨损加剧。专利“ 201810608144.3一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及制备方法”与本发明采用的三维网络状碳化硅增强金属基复合材料明显不同的是，其采用碳化硅颗粒作为增强相，在高速重载条件下，铝基体容易软化，碳化硅颗粒极易剥落。而专利“201410162002.0一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副及其制备方法”介绍了多种三维网络状SiC制备工艺增强铝基、铜基复合材料的方法。与本发明不同的是，其选择并制备的三维网络状碳化硅气孔率在50%左右，SiC陶瓷作为一种脆性材料在基体中占据50%的体积比大大增加了复合材料的脆性，在高震动，高冲击的服役环境下，该复合材料极易发生断裂失效。专利“201310324451.6 一种大孔径三维网络SiC陶瓷材料的制备方法”介绍了一种直接发泡法制备大孔径三维网络SiC陶瓷的方法，与本发明专利采用的直接发泡法所不同的是，其孔径多在一毫米以上，所制备的三维网络状SiC陶瓷无法进行小型构件的制备，同时在微动磨损发生时，SiC之间较大的间距减弱了SiC的承载作用，大大的弱化了三维网络状结构对基体的增强作用。

发明内容

为解决现有技术的不足之处，本发明针对现有的工艺缺陷提供了一种三维网络碳化硅陶瓷增强金属基复合材料及制备方法，该方法在控制成本简化工艺的同时，解决了具有大孔隙率与均匀孔径的三维网络状碳化硅陶瓷的制备问题，解决了碳化硅陶瓷与金属在高温下的界面反应问题。制备了具有良好摩擦性能，力学性能的陶瓷增强金属基复合材料。

本发明一种三维网络碳化硅增强金属基复合材料，所述复合材料包括金属基体、三维网络碳化硅陶瓷增强相；所述三维网络碳化硅陶瓷增强相是采用三维网络碳表面渗硅得到。