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1、(10)申请公布号 CN 102864361 A (43)申请公布日 2013.01.09 CN 102864361 A *CN102864361A* (21)申请号 201210293924.6 (22)申请日 2012.08.17 C22C 32/00(2006.01) C22C 21/00(2006.01) C22C 1/05(2006.01) (71)申请人 河南科技大学 地址 471003 河南省洛阳市涧西区西苑路 48 号 (72)发明人 王爱琴 倪增磊 谢敬佩 李继文 李洛利 王文焱 孙浩亮 郝世明 (74)专利代理机构 郑州睿信知识产权代理有限 公司 41119 代理人 牛爱周。
2、 (54) 发明名称 一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料及 其制备方法 (57) 摘要 本发明公开了一种用于航天器的 SiC 增强铝 基复合材料及其制备方法。该复合材料是由以 下重量百分比的化学成分组成 ： SiC 23 35%， Si 26 35%， Mg 1.8 2.0%， 余量为 Al 及不可 避免的杂质。本发明的制备方法主要包括粉体 的表面处理、 真空湿法高能球磨混料、 真空热压烧 结。通过控制 SiC、 合金元素 Mg 的加入量及制备 工艺， 能有效的降低材料的热膨胀系数及密度， 提 高抗拉强度， 获得成本较为低， 热膨胀系数为 7 910-6/， 密度 230MPa， 且 。
3、具有抗腐蚀性的复合材料。本发明特别适用于要 求材料具有轻质、 低膨胀、 耐腐蚀、 一定强度要求 性能的航空航天零件。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 1/1 页 2 1. 一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料， 其特征在于， 所述的复合材料由以下重 量百分含量的化学成分组成 ： SiC 23 35%， Si 25 35%， Mg 1.8 2%， 余量为 Al 及不可 避免的杂质。 2. 根据权利要求 1 所述的用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料， 其特征在于， 。
4、所述的 碳化硅为立方晶体 -SiC， 粒度为 15 30m， 镁粉粒度为 3 5m， Al-30Si 粉末粒度为 5 8m。 3. 一种如权利要求 1 所述的用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的制备方法， 其特征 在于， 所述的具体步骤如下 ： （1） 首先采用体积分数为 10% 的 HF 浸泡 SiC 粉末， 时间为 2h， 再用蒸馏水清洗， 真空抽 滤， 烘干 ； 然后对 SiC 粉末进行 1100高温焙烧， 保温 3h ； 对 Al-30Si 粉末进行无水乙醇超 声波震荡清洗， 时间为 10min， 再用蒸馏水清洗， 真空抽滤， 烘干 ； （2） 采用真空湿法高能球磨法对 SiC 粉。
5、末、 Al-30Si 粉末、 Mg 粉末进行混料， 以无水乙 醇为介质， 时间为 3 5h， 转速为 230 250r/min， 混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干 燥 ； （3） 将混好的原料装入磨具中， 当真空度达到 310-2Pa 时， 以 5 /min 的速度加热， 温度达到 540 560， 施加 120MPa 的压力， 保温 3h， 然后随炉冷却， 保压至温度降低到 100。 4. 根据权利要求 3 所述的用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的制备方法， 其特征在 于， 步骤 （3） 所述的磨具内壁涂抹质量分数为 40% 的无水乙醇和质量分数为 60% 的刚玉粉。 5. 根据权利。
6、要求 4 所述的用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的制备方法， 其特征在 于， 所述的刚玉粉平均粒度为 5m。 权 利 要 求 书 CN 102864361 A 2 1/3 页 3 一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于金属基复合材料制造领域， 具体涉及一种用于航天器的 SiC 增强铝基 复合材料及其制备方法。 背景技术 0002 航天器设计中， 尺寸稳定性广泛应用在高精密仪器、 惯性平台等领域， 由于工作环 境温度变化幅度较大， 以及仪器自身工作的需要， 尤其是一些光电设备， 要求使用材料在温 度变化时， 尺寸变化非常小， 这就要求材料的热。
7、膨胀系数非常小， 甚至为零 ； 材料需具有稳 定的抗拉强度， 要求循环热应力非常小。 为了提高航天器的有效载荷， 需要进一步降低材料 的密度并增强材料的抗腐蚀性， 满足使用的要求。 0003 镁合金是工程中最轻的金属材料， 但由于其存在强度低、 易腐蚀等问题， 限制了其 在航空航天领域的应用。钛合金的密度为 4.5g/cm3， 不锈钢材料的密度更大， 对航天器来 说， 结构重量的增加将导致发射成本的升高， 同时制约其携带更多的有效载荷。铜、 铝或铝 合金都具有良好的热传导率、 质量较轻、 成本低、 强度高等优点， 易于形成绝缘抗侵蚀薄膜， 但是因为铝与其氧化膜的热膨胀系数相差很大， 当温差较大。
8、时， 氧化膜容易开裂， 影响材料 性能的稳定性 。此外， 铜、 铝或铝合金的热膨胀系数太大 (Al 的 CTE 为 23.610-6/， Cu 的 CTE 为 17.810-6/ ) 容易引发循环热应力。Cu/Mo 合金和 Cu/W 合金具有较高的热导 率及相匹配的热膨胀系数， 但 Mo、 W 的价格较高， 加工、 焊接性能差， 且密度较高， 不适合应 用在航空航天领域。 0004 作为复合材料研究的热点， 国内外有许多关于 SiC 增强铝基复合材料的研究成果 公诸于世， 但是由于 SiC 与铝或其合金的热膨胀系数相差太大， 组织中残存较大的残余应 力， 后续处理复杂， 在工作环境中容易引起热。
9、循环应力， 后续处理复杂， 在工作环境中容易 引起热循环应力， 影响材料强度的稳定性。 发明内容 0005 针对上述问题， 本发明的目的在于提供一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材 料， 使得该复合材料具有较低的密度、 较小的膨胀系数。 0006 本发明的目的还在于提供一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的制备方法。 0007 为了达到上述目的， 本发明的技术方案在于采用了一种用于航天器的 SiC 增强铝 基复合材料， 该复合材料是由以下重量百分比的化学成分组成 ： SiC 23 35， Si 25 35， Mg 1.8 2， 余量为 Al 及不可避免的杂质。 0008 所述碳化硅为。
10、立方晶型-SiC， 粒度为1530m， Al-30Si合金粉末粒度为5 8m ； 镁粉粒度为 3 5m。 0009 本发明还采用了一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的制备方法， 该方法具 体步骤如下 ： （1） 首先采用体积分数为 10% 的 HF 浸泡 SiC 粉末， 时间为 2h， 再用蒸馏水清洗， 真空抽 说 明 书 CN 102864361 A 3 2/3 页 4 滤， 烘干 ； 然后对 SiC 粉末进行 1100高温焙烧， 保温 3h ； 对 Al-30Si 粉末进行无水乙醇超 声波震荡清洗， 时间为 10min， 再用蒸馏水清洗， 真空抽滤， 烘干 ； （2） 采用真空湿法。
11、高能球磨法对 SiC 粉末、 Al-30Si 粉末、 Mg 粉末进行混料， 以无水乙 醇为介质， 时间为 3 5h， 转速为 230 250r/min， 混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干 燥 ； （3） 将混合好的原料粉末装入磨具中， 当真空度达到 310-2Pa 时， 以 5 /min 的速度 加热， 温度达到 540 560， 施加 120MPa 的压力， 保温 3h， 然后随炉冷却， 保压至温度降到 100 摄氏度。 0010 步骤 （3） 所述的磨具内壁涂抹质量分数为 40% 的无水乙醇和质量分数为 60% 的刚 玉粉， 刚玉粉平均粒度为 5m。 0011 本发明采用上述技术方案的一。
12、种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料及其制备 方法， 以Al-30Si合金粉为基体， 热膨胀系数非常小的SiC为增强体， 镁为界面反应强化剂， 采用真空热压烧结制备材料， 增强相分布均匀、 体积可调、 制备过程中镁不必经过全熔的高 温状态， 避免了铸造法带来镁的强烈氧化， 基体与增强相界面处发生过量反应的问题。 本发 明采用的材料Al-30Si合金粉与SiC的热膨胀系数相差不大， 材料组织中残余应力很小， 并 且由于在真空热压烧结过程中多尺度硅相的析出， 能够明显降低材料的热膨胀系数及热循 环应力 ； 通过对 SiC 粉末进行表面处理， 使 SiC 粉末表面尖角钝化、 粗糙度增大， 提高粉。
13、末 在基体中的分布均匀性， 减少空洞的产生， 同时， 其表面产生纳米级厚的 SiO2薄膜。真空湿 法高能球磨混料， 使粉体实现机械合金化， 提高材料分布均匀性， 防止材料的氧化。通过加 入镁， 在界面处产生一层纳米级 Mg2Si 及 MgAl2O4产物， 使界面变的粗糙， 这些生成物的机械 镶嵌作用以及部分界面很强的化学结合 （其结合能远高于界面的物理结合能） ， 使粉末和基 体的界面结合增强， 有利于载荷在基体与增强体之间的传递， 使得作用于基体的有效应力 降低， 阻止了裂纹的扩展， 从而能够大大提高材料的抗拉强度。 由于选取的材料密度都比较 小， 所制备的材料为轻质材料。 本发明的主要目的。
14、就是开发轻质、 低膨胀和一定强度的复合 材料及制备方法， 主要应用在航天器领域， 开发的新材料能够提高航空航天器的有效载荷， 满足工作环境变化对材料性能稳定性的要求。 0012 本发明所涉及的一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料及其制备方法， 具有以 下特点 ： 密度230MPa， 且具有一定的抗 腐蚀性。此方法解决了传统材料热膨胀系数与密度及力学性能之间的矛盾， 可以满足航空 航天器领域对尺寸稳定性及重量的要求。 具体实施方式 0013 实施例 1 本实施例的一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的组成成分及重量百分比为 ： SiC 26%， Si 33%， Mg 2%， 余量为 。
15、Al 及不可避免的杂质。 0014 本实施例的具体制备方法如下步骤 ： （1） 首先采用体积分数为 10% 的 HF 浸泡 SiC 粉末， 时间为 2h， 再用蒸馏水清洗， 真空抽 滤， 烘干 ； 然后对 SiC 粉末进行 1100高温焙烧， 保温 3h ； 对 Al-30Si 粉末进行无水乙醇超 声波震荡清洗， 时间为 10min， 再用蒸馏水清洗， 真空抽滤， 烘干 ； 说 明 书 CN 102864361 A 4 3/3 页 5 （2） 采用真空湿法高能球磨法对 SiC 粉末、 Al-30Si 粉末、 Mg 粉末进行混料， 以无水乙 醇为介质， 时间为 4h， 转速为 230r/min，。
16、 混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥 ； （3 磨具内壁涂抹质量分数为 40% 的无水乙醇和质量分数为 60% 的刚玉粉， 刚玉粉平均 粒度为 5m ； 将混合好的原料粉末装入磨具中， 当真空度达到 310-2Pa 时， 以 5 /min 的 速度加热， 温度达到 540， 施加 120MPa 的压力， 540保温 3h， 然后随炉冷却， 保压至温度 降到 100。 0015 本实施例的性能参数 ： 50 100之间的热膨胀系数为 8.710-6/， 密度为 2.65 g/cm3， 室温抗拉强度为 238MPa。 0016 实施例 2 本实施例的一种用于航天器的 SiC 增强铝基复合材料的组。
17、成成分及重量百分比为 ： SiC 27%， Si 29%， Mg 1.9%， 余量为 Al 及不可避免的杂质。 0017 本实施例的具体制备方法如下步骤 ： （1） 首先采用体积分数为 10% 的 HF 浸泡 SiC 粉末， 时间为 2h， 再用蒸馏水清洗， 真空抽 滤， 烘干 ； 然后对 SiC 粉末进行 1100高温焙烧， 保温 3h ； 对 Al-30Si 粉末进行无水乙醇超 声波震荡清洗， 时间为 10min， 再用蒸馏水清洗， 真空抽滤， 烘干 ； （2） 采用真空湿法高能球磨法对 SiC 粉末、 Al-30Si 粉末、 Mg 粉末进行混料， 以无水乙 醇为介质， 时间为 3h， 转。
18、速为 250r/min， 混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥 ； （3） 磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉， 刚玉粉平均 粒度为 5m ； 将混合好的原料粉末装入磨具中， 当真空度达到 310-2Pa 时， 以 5 /min 的 速度加热， 温度达到 550， 施加 120MPa 的压力， 550保温 3h， 然后随炉冷却， 保压至温度 降到 100。 0018 本实施例的性能参数 ： 50 100之间的热膨胀系数为 8.510-6/， 密度为 2.68 g/cm3， 室温抗拉强度为 247MPa。 0019 实施例 3 本实施例的一种用于航天器的 SiC 增。
19、强铝基复合材料组成成分及重量百分比为 ： SiC 30%， Si 28%， Mg 1.8%， 余量为 Al 及不可避免的杂质。 0020 本实施例的具体制备方法如下步骤 ： （1） 首先采用体积分数为 10% 的 HF 浸泡 SiC 粉末， 时间为 2h， 再用蒸馏水清洗， 真空抽 滤， 烘干 ； 然后对 SiC 粉末进行 1100高温焙烧， 保温 3h ； 对 Al-30Si 粉末进行无水乙醇超 声波震荡清洗， 时间为 10min， 再用蒸馏水清洗， 真空抽滤， 烘干 ； （2） 采用真空湿法高能球磨法对 SiC 粉末、 Al-30Si 粉末、 Mg 粉末进行混料， 以无水乙 醇为介质， 时。
20、间为 5h， 转速为 240r/min， 混料完毕后将浆料置于真空干燥箱中干燥 ； （3） 磨具内壁涂抹质量分数为40%的无水乙醇和质量分数为60%的刚玉粉， 刚玉粉平均 粒度为 5m ； 将混合好的原料粉末装入磨具中， 当真空度达到 310-2Pa 时， 以 5 /min 的 速度加热， 温度达到 560， 施加 120MPa 的压力， 560保温 3h， 然后随炉冷却， 保压至温度 降到 100。 0021 本实施例的性能参数 ： 50 100之间的热膨胀系数为 7.910-6/， 密度为 2.69 g/cm3， 室温抗拉强度为 234MPa。 说 明 书 CN 102864361 A 5 。