一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法技术

本发明专利技术属于铝硅合金技术领域，具体公开了一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法。将碳纳米浆料涂覆于干净的二氧化硅基底内壁表面，在通入惰性气体的条件下，将纯铝锭熔融浇注到涂覆有碳纳米浆料的二氧化硅基底中，在熔融温度下静置保温，保温结束后取出冷却，得到碳化硅增强的铝硅合金。本方法原位生成的碳化硅作为增强相改善了铝硅合金韧性、延伸率以及热导率，同时，制备得到的铝硅合金中的碳化硅含量可调控。本方法制备工艺简单，熔炼设备要求低，易于工业化生产，具有很高的应用前景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法


[0001]本专利技术属于铝硅合金
，特别涉及一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅是一种常见的陶瓷相，它熔点高、刚度强、硬度高，具有热稳定性好、室温耐腐蚀能力强及热膨胀系数低的特点。碳化硅增强铝基复合材料具有重量轻、比模量高和耐磨性优良等特性，被广泛应用在航空航天、汽车和电子产品领域。如今碳化硅颗粒增强铝基合金制备方法主要包括液态搅拌法、流变铸造技术、熔渗法和原位合成法等。
[0003]原位合成法是指通过化学反应在基体中直接合成增强体的一项技术，相比较于其他制备方法，原位合成法具有以下优点：(1)原位合成增强体在基体中热力学稳定，高温条件下热分解小；(2)增强体与基体界面干净，具有强的界面键合；(3)原位合成的颗粒尺寸细小且均匀分布在基体中。
[0004]中国专利CN106893880A公开了一种原位热压生成碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，将铝粉、硅粉、碳粉按一定摩尔比混合后，使用机械合金化进行研磨，加压、高温保温烧结制得。该方法原料成本高，制备工艺需加压处理，工序繁杂。
[0005]中国专利CN109182813A公开了一种采取原位化学气相沉积工艺在硅微粉表面生长碳纳米管制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，该方法中碳纳米管生长速率较低；且制备过程复杂，并且需要高温高压的环境，使用氢气、甲烷等混合气体，对设备要求和环境要求较高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金，通过二氧化硅、铝、碳纳米材料之间的原位反应生成碳化硅，从而改善铝硅合金的的韧性、延伸性、热导率等性能，同时该方法还具有制备工艺简单、形状性能可调控的优点。
[0007]为达上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)配置添加浆料：将碳纳米材料均匀分散在溶剂中，添加增稠剂和粘结剂，均匀搅拌后，得到添加浆料；
[0010](2)将步骤(1)的添加浆料均匀涂覆于二氧化硅基底内表面，干燥、冷却，得到内表面涂有碳纳米材料的二氧化硅基底；
[0011](3)在惰性气体保护下，将熔融态铝溶液浇注到步骤(2)的内表面涂有碳纳米材料的二氧化硅基底中，700
‑
800℃温度下静置保温3h，冷却；去除二氧化硅基底，清理表面残渣，获得碳纳米材料增强的铝硅合金。
[0012]进一步地，碳纳米材料的碳含量＞98％，灰度＜1％；二氧化硅基底的二氧化硅含量≥99.9％；熔融态铝溶液中铝含量≥99.9％。
[0013]本专利技术所选用的碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任意一种；溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、N,N
‑
二甲基甲酰胺、二氧六环、乙醇、乙二醇、丁酮、甲苯中的任意一种。
[0014]进一步地，步骤(1)的添加浆料中碳纳米材料的质量分数为10
‑
60wt.％；更进一步地，步骤(1)的添加浆料中碳纳米材料的质量分数为20
‑
50wt.％。
[0015]进一步地，步骤(1)中，增稠剂和粘接剂两者质量之和为添加浆料质量的1
‑
2wt.％；优选1wt.％；优选的，增稠剂为聚偏二氟乙烯，粘结剂为丙烯酸树脂可固化热熔粘结剂，增稠剂和粘结剂的用量比为3：2。
[0016]进一步地，步骤(2)中，添加浆料的涂覆厚度为0.5
‑
1.5毫米，优选1毫米。
[0017]进一步地，步骤(2)中，干燥温度为70
‑
90℃，时间20
‑
50min；优选干燥温度为80℃，时间为30min。
[0018]进一步地，步骤(3)中，静置保温温度为700℃；保温时间为3小时。
[0019]进一步地，步骤(3)中，惰性气体为氩气。
[0020]进一步地，步骤(3)熔融态铝溶液的浇注量为制备工件质量的0.99
‑
1.05倍。
[0021]本专利技术的有益技术效果：
[0022](1)微观结构方面，通过原位反应SiO2+Al＝Al2O3+Si、Si+C＝SiC生成碳化硅颗粒，从而有效增强铝硅合金。
[0023](2)通过碳纳米浆料浓度的改变可以制备出不同性能的铝硅合金，从而适应工业上的不同用途，本专利技术制备的铝硅合金因其高硬度、良好的热稳定性和耐蚀性、低热膨胀系数等优点，应用广泛。
[0024](3)本专利技术采取成型的二氧化硅模型，可以快速制造多种规格的产品，因此对于可以一次成型的工件具有良好的应用前景；生产工艺简单、可控性高、应用性强，可工业化规模性生产。
附图说明：
[0025]图1为实施例1～4所制备的铝硅合金的显微组织形貌图；
[0026]图2为实施例3所制备的铝硅合金XRD图。
具体实施方式
[0027]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。下面给出常规方法制备的碳纳米材料增强铝硅合金的对比例及实施例。
[0028]以下实施例中的碳纳米材料选用的是分子量为12.01的碳纳米管，晶系为六方晶系，管径为10
‑
20nm，管长为2
‑
8微米，纯度大于98％，灰度小于1％；管长，管径略微改变不会造成太大的性能改变，当纯度降低时，碳含量也会减少，进而影响性能。
[0029]增稠剂为聚偏二氟乙烯，粘结剂为丙烯酸树脂可固化热熔粘结剂，增稠剂和粘结剂的用量比为3：2，两者质量为1wt.％，含量较少，在材料制备过程中，会随着温度升高而发生分解，最终在材料中含量极少。
[0030]屈服强度、抗拉强度、延伸率检测具体方法：试验所采用的试验机为TSE504D万能试验机，实验用样品均是由线切割和车床制备，符合标准为《GB/T228
‑
2010金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》。根据不同取向,将试样分为径向(RD)、轴向(AD)、45
°
试样。试
验在室温下进行，试验过程中加持引伸计以采集应变数据，采用位移控制模式，名义加载速率为0.5mm*min
‑1.通过实验获得了三种性能:YS(屈服强度)、UTS(抗拉强度)、EL(延伸率)。为了保证数据的可靠性，RD试样至少取6支样品，AD、45
°
试样至少取3支样品。
[0031]热导率测试方法：激光发射法——激光导热直接测试的是材料的热扩散系数，其基本原理是在炉体控制的一定温度下，由激光源发射光脉冲均匀照射在样品下表面，使试样均匀加热，通过红外检测器测量样品上表面相应温升过程，得到温度(检测器信号)升高和时间的关系曲线，使用合适的模型拟合，得到热扩散系数；通过标样参比测试，可获得比热容数据，最终由公式(热导率＝热扩散系数
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配置添加浆料：将碳纳米材料均匀分散在溶剂中，添加增稠剂和粘结剂，均匀搅拌后，得到添加浆料；(2)将步骤(1)的添加浆料均匀涂覆于二氧化硅基底内表面，干燥、冷却，得到内表面涂有碳纳米材料的二氧化硅基底；(3)在惰性气体保护下，将熔融态铝溶液浇注到步骤(2)的内表面涂有碳纳米材料的二氧化硅基底中，700
‑
800℃温度下静置保温3h，冷却；去除二氧化硅基底，清理表面残渣，获得原位生成碳化硅增强的铝硅合金。2.根据权利要求1所述的原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法，其特征在于，碳纳米材料的碳含量＞98％，灰度＜1％；二氧化硅基底的二氧化硅含量≥99.9％；熔融态铝溶液中铝含量≥99.9％。3.根据权利要求1所述的原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)的碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任意一种。4.根据权利要求1所述的原位生成碳化硅增强的铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)的溶剂为N
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甲基吡咯烷酮、N,N
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二甲基甲酰胺、二...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏旭平，王琦，施东明，刘亚，吴长军，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：