一種碳化硅作為增強相的金屬基復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供一種金屬基復合材料，該材料以金屬為基體，以Ti3SiC2表面修飾的碳化硅為增強體，由于Ti3SiC2與多種金屬具有較好的潤濕性和相容性，從而能夠改善碳化硅與金屬基體的結合性能，提高碳化硅對金屬基體的增強效果。另外，本發明采用熔鹽合成法在碳化硅表面原位形成Ti3SiC2，能夠加速碳化硅與鈦的反應動力學，在較低溫度、較短時間內即可生成Ti3SiC2，且形貌均勻。
【專利說明】
一種碳化硅作為増強相的金屬基復合材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及金屬基復合材料技術領域，尤其涉及一種碳化硅作為增強相的金屬基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]碳化硅材料，包括碳化硅顆粒、碳化硅晶須以及碳化硅纖維等，具有耐高溫、抗氧化、高強度、高熱導、耐腐蝕等的特點，是十分理想的復合材料增強相材料。近年來，碳化硅被廣泛用于金屬材料和陶瓷材料的增強和增韌。然而，碳化硅與銅、鋁等多種金屬潤濕性較差，導致復合材料的界面結合較差，碳化硅無法起到良好的增強效果，由此得到的復合材料的力學和導熱等方面性能并不理想。
【發明內容】
[0003]針對上述碳化硅作為金屬基復合材料增強相所存在的問題，本發明提供了一種金屬基復合材料以及陶瓷基復合材料，以三元層狀Ti3SiC2陶瓷修飾的碳化硅為增強相。
[0004]三元層狀Ti3SiC2陶瓷材料兼具金屬和陶瓷的特性。Ti3SiC2從金屬材料中繼承了優良的導電性和導熱性，良好的抗熱震性和損傷容限，較低的硬度和較好的機械加工性;從陶瓷材料中繼承了很高的彈性模量和高溫強度，以及出色的抗氧化性和抗腐蝕性能等。由于具有類金屬的特點，Ti3SiC2與多種金屬都具有較好的潤濕性和相容性，因此，本發明采用在碳化娃表面制備Ti 3Si C2可以改善碳化娃與金屬基體的結合性能，從而提升碳化娃對金屬基體的增強效果。
[0005]所述金屬基體不限，包括鋁、銅、鎂、鈦、鎳、鋯、鐵等中的一種或者其合金。
[0006]Ti3SiC2修飾的碳化硅是指在碳化硅表面存在Ti3SiC2修飾，S卩，Ti3SiC2位于碳化硅表面，與碳化娃之間存在化學鍵結合，附著力強。作為優選，所述的Ti3SiC2在碳化娃表面形成Ti3SiC2涂層。所述的碳化硅形式不限，包括顆粒、纖維、晶須等。所述碳化硅顆粒的粒徑優選為30nm?50μηι。所述碳化娃晶須直徑優選為0.5?2μηι，長度優選為I?50μηι。所述碳化娃纖維包括短切碳化硅纖維，連續碳化硅纖維以及連續碳化硅纖維預制體。
[0007]所述Ti3SiC2修飾的碳化硅的制備方法不限。作為一種實現方式，本發明采用熔鹽合成法在碳化硅表面原位形成Ti3SiC2，即:
[0008]將碳化硅、金屬鈦粉，以及可溶于水的鹽混合均勻，得到混合物;然后將混合物加熱使鹽熔融，在該熔鹽中碳化硅與金屬鈦反應，在碳化硅表面形成Ti3SiC2，冷卻得到反應產物;將反應產物置于水中使鹽溶化，然后分離、洗滌、干燥，得到Ti3SiC2修飾的碳化硅。
[0009]作為優選，鹽與碳化硅的摩爾比為1:0.1?1:1。
[0010]作為優選，碳化娃與鈦的摩爾比為1:0.05?1:1。
[0011 ] 作為優選，鈦粉粒徑為30nm?50μηι。
[0012]作為優選，反應溫度為900?1200 V，更優選為1100°C。
[0013]作為優選，反應時間為10?300分鐘，更優選為30?60分鐘。
[0014]所述的鹽可溶于水，包括但不限于陽離子為鋰、鈉、鉀、鈣、鋅、鋇等可溶性鹽中的一種或者兩種以上的混合物。所述鹽優選為鹵鹽。當所述鹽為混合物時，混合物中各成分的量優選按照共晶點比例進行混合。
[0015]該制備方法利用熔鹽為液態反應介質，以原位反應的形式在碳化硅表面制備Ti3SiC2,能夠明顯加速碳化硅與鈦的反應動力學，在較低溫度、較短時間內即可生成Ti3SiC2,且形貌均勻。
[0016]本發明所述的金屬基復合材料的制備方法不限，可以將所述的Ti3SiC2修飾的碳化硅與金屬基體混合，通過粉末冶金法、溶液原位還原法、熔煉法、化學沉積法等制得該金屬基復合材料。
[0017]綜上所述，本發明通過對碳化娃表面進行Ti3SiC2修飾，從而在金屬基體與碳化娃兩相之間存在Ti3SiC2修飾界面，用以改善金屬基體與碳化硅復合材料界面結合強度，具有如下有益效果:
[0018](I)Ti3SiC2與多種金屬具有較好的潤濕性和相容性，因此，本發明采用在碳化硅表面制備Ti3SiC2可以改善碳化娃與金屬基體的結合性能，從而提升碳化娃對金屬基體的增強效果。
[0019](2)針對同種金屬基體，可通過調節Ti3SiC2的連續程度、厚度等實現界面結合強度的調節。作為優選，Ti3SiC2厚度為1nm?5μηι。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明實施例1中反應前后碳化硅的XRD衍射圖譜；
[0021 ]圖2是本發明實施例1中原始碳化硅顆粒的微觀形貌圖；
[0022]圖3是本發明實施例1中經Ti3SiC2修飾的碳化硅顆粒的微觀形貌圖；
[0023]圖4是本發明實施例2中原始碳化硅晶須的微觀形貌圖；
[0024]圖5是本發明實施例2中經Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須的微觀形貌圖；
[0025]圖6是銅、本發明實施例2中未經Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須增強銅基復合材料，以及經Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須增強銅基復合材料的拉伸強度對比圖；
[0026]圖7是本發明實施例3中經Ti3SiC2修飾的碳化纖維的微觀形貌圖。
[0027]實施方式
[0028]下面結合附圖實施例對本發明作進一步的描述，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0029]實施例1:
[0030]本實施例中，金屬基復合材料是以銅為基體，以Ti3SiC2修飾的β-SiC顆粒為增強相。
[0031 ] 該Ti3SiC2修飾的β-SiC的制備方法如下:
[0032](I)稱取氯化鈉58.4g，氯化鉀74.5g，300目鈦粉6g，粒徑為0.3μπι?0.7μπι的β-SiC顆粒20g，將上述材料研磨混合，得到混合物。
[0033](2)將混合物置于剛玉坩禍內，放入高溫管式爐內進行反應。反應條件為:1100°C，30分鐘，氬氣保護。待管式爐溫度降到室溫后，取出坩禍內反應產物。
[0034](3)用去離子水洗滌反應產物:將反應產物放入燒杯中，加入去離子水，攪拌并超聲清洗30分鐘后靜置I小時，倒掉上清液。洗滌反應產物三次后，將其放入80°C的烘箱內，24小時后取出，得到固體產物。
[0035]圖1是原始β-SiC顆粒與上述制得的固體產物的XRD圖譜，可以看出反應過后的主要生成相是Ti3SiC2。
[0036]圖2是原始β-SiC顆粒的微觀形貌，顯示粒徑約為0.3μηι?0.7μηι;圖3是上述制得的固體產物的微觀形貌。與圖2相比，可以看出該固體產物的粒徑顆粒未發生明顯變化，但是表面形貌由于具有Ti3SiC2而發生了較為明顯的變化，出現褶皺狀的形貌。即，該固體產物是表面具有Ti3SiC2涂層的β-SiC顆粒。
[0037]采用SPS燒結技術制備上述金屬基復合材料，具體是:將Ti3SiC2修飾的β-SiC與銅粉通過高能球磨混合，利用SPS燒結制得銅基碳化硅復合材料。
[0038]該銅基碳化硅復合材料，Ti3SiC2涂層包覆在β-SiC表面，該涂層與銅基體具有較好的潤濕性和相容性，從而能夠改善碳化硅對銅基體的增強效果。
[0039]實施例2:
[0040]本實施例中，金屬基復合材料是以銅為基體，以Ti3SiC2的修飾的碳化硅晶須為增強相。
[0041 ]該Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須的制備方法如下:
[0042](I)稱取氯化鈉58.4g，氯化鉀74.5g，300目鈦粉6g，碳化硅晶須20g，將上述材料研磨混合，得到混合物。
[0043](2)將混合物置于剛玉坩禍內，放入高溫管式爐內進行反應。反應條件為:1100°C，30分鐘，氬氣保護。待管式爐溫度降到室溫后，取出坩禍內反應產物。
[0044](3)用去離子水洗滌反應產物:將反應產物放入燒杯中，加入去離子水，攪拌并超聲清洗30分鐘后靜置I小時，倒掉上清液。洗滌反應產物三次后，將其放入80°C的烘箱內，24小時后取出，得到固體產物。
[0045]類似圖1所示，通過XRD圖譜可以看出反應過后的碳化硅晶須的主要生成相是Ti3SiC2o
[0046]圖4是原始碳化硅晶須的微觀形貌;圖5是上述制得的固體產物的微觀形貌。與圖4相比，可以看出反應前后碳化硅晶須形貌發生明顯變化，反應前的碳化硅晶須表面光潔，而反應后碳化硅晶須表面出現褶皺狀形貌，即為Ti3SiC2涂層。該褶皺狀的形貌可以有效提升碳化硅晶須與金屬材料的結合力。
[0047]采用SPS燒結技術制備上述金屬基復合材料，具體是:將Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須與銅粉通過高能球磨混合，利用SPS燒結制得銅基碳化硅復合材料，其中Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須的質量分數為2%。作為對比，采用相同的球磨工藝和SPS燒結工藝制備了純銅和質量分數為2%的無修飾碳化硅晶須增強銅基復合材料。
[0048]圖6是以上復合材料拉伸強度的對比，可以看出，無Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須增強銅基復合材料的拉伸強度相比于純銅提升較小，表明碳化硅晶須與銅基體的結合較差，碳化硅晶須難以起到明顯的增強效果;而具有Ti3SiC2修飾的碳化硅晶須增強的銅基復合材料的拉升強度顯著上升，表明Ti3SiC2修飾可以有效的改善碳化硅晶須與銅基體的結合，提升碳化硅晶須對銅基體的增強效果。
[0049]實施例3:
[0050]本實施例中，金屬基復合材料是以銅為基體，以Ti3SiC2的修飾的碳化硅纖維為增強相。
[0051 ] 該Ti3SiC2修飾的碳化硅纖維的制備方法如下:
[0052](I)稱取碳化硅纖維20g，并將其平鋪在剛玉坩禍內。稱取氯化鈉58.4g，氯化鉀74.5g，300目鈦粉6g，將上述材料研磨混合后平鋪于碳化硅纖維上方。
[0053](2)將放有以上材料的剛玉坩禍放入高溫管式爐內進行反應。反應條件為:1100°C，60分鐘，氬氣保護。待管式爐溫度降到室溫后，取出坩禍內反應產物。
[0054](3)用去離子水洗滌反應產物:將反應產物放入燒杯中，加入去離子水，超聲清洗30分鐘后靜置I小時，倒掉上清液。洗滌反應產物三次后，將其放入800C的烘箱內，24小時后取出，得到固體產物。
[0055]類似圖1所示，通過XRD圖譜可以看出反應過后的碳化硅纖維的主要生成相是Ti3SiC2o
[0056]圖7是上述制得的固體產物的微觀形貌，可以看出碳化硅纖維外圍覆蓋一層厚度均勻的Ti3SiC2涂層。
[0057]采用SPS燒結技術制備上述金屬基復合材料，具體是:將Ti3SiC2修飾的碳化硅纖維與銅粉通過高能球磨混合，利用SPS燒結制得銅基碳化硅復合材料。
[0058]該銅基碳化硅復合材料，Ti3SiC2涂層包覆在碳化硅纖維表面，該涂層與銅基體具有較好的潤濕性和相容性，從而能夠改善碳化硅對銅基體的增強效果。
[0059]以上所述的實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:以金屬為基體，以三元層狀Ti3SiC2陶瓷修飾的碳化硅為增強相。2.如權利要求1所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:所述金屬基體包括鋁、銅、鎂、鈦、鎳、鋯、鐵中的一種或者其合金。3.如權利要求1所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:所述的Ti3SiC2在碳化硅表面形成Ti3SiC2涂層。4.如權利要求1所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:所述的碳化硅包括碳化硅顆粒、碳化硅纖維以及碳化硅晶須。5.如權利要求1至4中任一權利要求所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:采用熔鹽合成法在碳化硅表面原位形成Ti3SiC2，即: 將碳化硅、金屬鈦粉，以及可溶于水的鹽混合均勻，得到混合物;然后將混合物加熱使鹽熔融，在該熔鹽中碳化硅與金屬鈦反應，在碳化硅表面形成Ti3SiC2,冷卻得到反應產物；將反應產物置于水中使鹽溶化，然后分離、洗滌、干燥，得到Ti3SiC2修飾的碳化硅。6.如權利要求5所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:通過調節Ti3SiC2的連續程度、厚度調節界面結合強度。7.如權利要求5所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:所述鹽與碳化硅的摩爾比為1:0.1?1:1; 作為優選，碳化娃與鈦的摩爾比為1:0.05?1:1 ； 作為優選，鈦粉粒徑為30nm?50μηι ； 作為優選，所述的鹽包括陽離子為鋰、鈉、鉀、鈣、鋅、鋇的可溶性鹽中的一種或者兩種以上的混合物。8.如權利要求5所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料，其特征是:反應溫度為900?1200°C，優選為 1100°C ； 作為優選，反應時間為10?300分鐘，更優選為30?60分鐘； 所述鹽為混合物時，混合物中各成分的量優選按照共晶點比例進行混合。9.如權利要求1至4中任一權利要求所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料的制備方法，其特征是:將所述的Ti3SiC2修飾的碳化娃與金屬基體混合，通過粉末冶金法、溶液原位還原法、熔煉法，或者化學沉積法制得該金屬基復合材料。10.如權利要求5所述的碳化硅作為增強相的金屬基復合材料的制備方法，其特征是:將所述的Ti3SiC2修飾的碳化硅與金屬基體混合，通過粉末冶金法、溶液原位還原法、熔煉法，或者化學沉積法制得該金屬基復合材料。
【文檔編號】C22C49/14GK105925872SQ201610460435
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】黃慶, 李勉, 陳凡燕, 司曉陽, 都時禹
【申請人】中國科學院寧波材料技術與工程研究所