一種雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法

技術(shù)領(lǐng)域

1.本發(fā)明涉及一種雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，屬于無壓浸滲技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2.銅基復合材料(比如sic/cu)不僅具有良好的導電導熱性、耐蝕性、可加工性等特點，而且價格適中，成為了制備電接觸部件、剎車盤的重要材料，廣泛應用于電子裝備、軌道交通等領(lǐng)域。上述服役環(huán)境下，摩擦磨損是銅基復合材料的主要失效形式之一。隨著我國電子技術(shù)、軌道交通和武器裝備等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，銅基復合材料元器件的種類和需求量急劇增多，且元器件的服役環(huán)境日趨苛刻(向著高功率、高頻率、集成化、微型化等方向發(fā)展)，使得銅基復合材料不僅需要具備更加良好的導電導熱性，而且需要具備更加優(yōu)異的力學性能和耐磨性能。傳統(tǒng)銅基復合材料屬于典型的1

?

3(一維摩擦組元和三維基體)連接型復合材料，彌散在銅合金基體中的增強顆粒無法有效地將電流發(fā)熱和摩擦產(chǎn)熱及時散發(fā)，削弱了材料抵抗高溫變形和粘著磨損的能力，已不能滿足當代材料對結(jié)構(gòu)功能一體化和高效散熱的發(fā)展需求。

3.與傳統(tǒng)復合材料結(jié)構(gòu)相比較，雙連續(xù)相復合材料具備3

?

3型連接特征，使用過程中有利于應力和熱量在空間范圍內(nèi)迅速傳遞和分散，也可有效約束金屬基體塑性變形和高溫軟化，從而在諸多領(lǐng)域被用于制備耐磨部件。雙連續(xù)相復合材料制備過程中的重要環(huán)節(jié)是金屬熔體往多孔材料里浸滲。常用的金屬熔體浸滲方法包括擠壓浸滲法、真空壓力浸滲法和無壓浸滲法。其中無壓浸滲無需特殊真空或壓力裝置，是一種簡單易操作，且制備出材料性能優(yōu)良的工藝方法，受到廣泛重視。對于雙連續(xù)相sic/銅合金復合材料，在無壓浸滲過程中如果采用內(nèi)部空間大于預浸滲體尺寸的模具，容易造成浸滲金屬熔體往四側(cè)流淌流失，且嚴重影響浸滲效果。另外，由于銅合金的熔點較高，如果采用內(nèi)部空間與預浸滲體尺寸一致的模具，高溫下銅合金與模具之間會發(fā)生各種化學、物理和擴散反應，導致材料脫模困難。

4.目前，已有報道采用改性石英砂對sic和鋁合金預滲體進行填埋，高溫下利用改性石英砂形成透氣不透液體的模具外殼，該模具外殼內(nèi)部空間與預浸滲體尺寸一致，能減少金屬熔體流失，提高浸滲效率，同時該模具外殼容易拆除。但采用該方法制備銅基復合材料時，改性石英砂形成的模具外殼容易出現(xiàn)坍塌。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的是提供一種雙連續(xù)相sic/cu復合材料的制備方法，能夠解決模具外殼易坍塌的問題。

6.為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的制備方法所采用的技術(shù)方案是：

7.一種雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，包括以下步驟：將sic多孔陶瓷和銅基金屬作為預浸滲體；然后采用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋使預浸滲體的底部和周圍分布碳化

硅砂，在無氧環(huán)境下升溫進行無壓浸滲，無壓浸滲完成后，降溫即得雙連續(xù)相sic/cu復合材料。

8.本發(fā)明的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，巧妙地選用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋形成一個內(nèi)部空間與預浸滲體大小一致的簡易模具，然后無壓浸滲過程中該模具透氣不透液，一方面，有利于在金屬熔體周圍形成無氧環(huán)境，另一方面，有效避免了金屬熔體從四側(cè)流淌流失，只能在自重作用下滲入到sic多孔陶瓷中，可在減少待浸滲金屬用量的同時促進金屬熔體的浸滲效果，從而提高了無氧環(huán)境下無壓浸滲制備雙連續(xù)相sic/cu復合材料的成本和效率。

9.此外，本發(fā)明的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，工藝簡單，易于實現(xiàn)，且操作過程簡單，以碳化硅砂作為模具材料，有助于通過高溫無氧條件下無壓浸滲提高銅基復合材料力學性能時，避免氧化物砂(比如石英砂)在高溫無氧環(huán)境下發(fā)生脫氧反應，導致模具坍塌失效；同時還可以減少模具材料跟預浸滲體中sic多孔陶瓷發(fā)生反應。

10.可以理解的是分布在預浸滲體的底部和周圍分布的碳化硅在浸滲過程中形成透氣不透液的模具外殼。利用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋后，用于加熱的裝置可以采用氣氛爐。

11.優(yōu)選的，將銅基金屬和sic多孔陶瓷作為預浸滲體前，對銅基金屬進行打磨和清洗去除表面污垢，對sic多孔陶瓷進行煅燒處理去除游離碳。所述煅燒處理的溫度優(yōu)選為600℃，時間優(yōu)選為1h。

12.為了進一步提高模具外殼透氣不透液性能，優(yōu)選地，所述碳化硅砂的平均粒徑為1～1.5mm。

13.采用碳化硅砂作為模具原材料，可以減少無氧環(huán)境下模具的分解失效，也可以減少模具材料與sic多孔陶瓷發(fā)生化學反應，優(yōu)選的，所述碳化硅砂為黑碳化硅砂。

14.為了提高無壓浸滲的效果，保證無氧環(huán)境下無壓浸滲后制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的綜合性能，優(yōu)選地，所述無壓浸滲的溫度為銅基金屬熔點以上50～300℃。

15.為了進一步提高浸滲效果，得到性能優(yōu)異的雙連續(xù)相sic/cu復合材料，所述sic多孔陶瓷的孔隙率為80～90％。所述sic多孔陶瓷的孔密度為10～20ppi。所述sic多孔陶瓷的平均孔徑為1.6～2.5mm。

16.由于高溫下石英砂、sic和氮氣之間會發(fā)生如下反應：3sic+2n2＝si3n4+3c和3sic+3sio2+4n2＝2si3n4+3co2，使得石英砂模具坍塌失效，并使得sic多孔陶瓷分解。為了避免其他惰性氣體(比如氮氣)與碳化硅砂和sic多孔陶瓷發(fā)生反應，優(yōu)選的，所述無氧環(huán)境通過向環(huán)境中充入氬氣形成。由于碳化硅砂在無壓浸滲時形成的模具外殼透氣不透液(水或熔體)，有利于無壓浸滲過程中惰性氣體氬氣的進入，在銅金屬熔體周圍形成無氧環(huán)境，提高復合材料制品的性能。

17.所述的銅基金屬為銅排。所述銅基金屬為銅合金或純銅。優(yōu)選的，所述銅基金屬為錫青銅。優(yōu)選地，所述銅合金的錫青銅qsn6

?6?

3。錫青銅qsn6

?6?

3的熔點約為1019℃。所述錫青銅qsn6

?6?

3中sn元素的質(zhì)量百分含量為5～7％，zn元素的質(zhì)量百分含量為5～7％，pb元素的質(zhì)量百分含量為2～4％。所述錫青銅qsn6

?6?

3中還含有少量的p、ni、fe元素。由于銅基金屬的密度大，自重大，容易浸滲，過多銅合金用量，造成成本浪費，為了保證浸滲充分的同時控制好成本，優(yōu)選地，所述銅基金屬與sic多孔陶瓷的體積比為2～3:1。

18.為了進一步提高浸滲效果，優(yōu)選地，所述無氧環(huán)境下無壓浸滲的溫度為1100～1200℃；所述無氧環(huán)境下無壓浸滲的時間為30～90min。

19.為了減少升溫速度過快造成sic多孔陶瓷出現(xiàn)裂紋，同時為了兼顧效率和時間成本，優(yōu)選的，所述升溫的速度為4～6℃/min。對于無壓浸滲過程中的降溫速度不作限定，例如采用隨爐冷卻的方式進行降溫。

20.采用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋時，可以坩堝作為碳化硅砂和預浸滲體的容器。優(yōu)選的，所述填埋通過以下方式實現(xiàn)：在坩堝底部鋪設一層碳化硅砂，然后將預浸滲體放置在坩堝底部的碳化硅砂上，并在預浸滲體周圍填滿碳化硅砂，壓實即可。在預浸滲體與坩堝的間隙填滿碳化硅砂可以減少高溫環(huán)境下銅金屬熔體與坩堝容器壁發(fā)生化學、物理或擴散反應，避免無法脫模?？梢岳斫獾氖?，坩堝材質(zhì)只要能承受無壓浸滲所采用的溫度即可，比如，可以選用氧化鋁坩堝。

21.為了便于碳化硅砂在預浸滲體周圍填充，選用的坩堝體積應稍大于預浸滲體體積，在坩堝底部先鋪上一層碳化硅砂，然后將預浸滲體放置在該碳化硅砂上，可以先放置sic多孔陶瓷，再在sic多孔陶瓷上放置待浸滲金屬，放置預浸滲體后，預浸滲體與坩堝內(nèi)壁具有一定距離，然后在預浸滲體與坩堝的間隙填滿碳化硅砂，并壓實碳化硅砂即可。

22.為了使碳化硅砂形成透氣不透液的模具外殼，且利于脫模，優(yōu)選地，所述碳化硅砂在坩堝底部鋪設厚度為10～15mm。所述碳化硅砂在坩堝中預浸滲體周圍填充厚度為10～15mm。

附圖說明

23.圖1為實施例1中碳化硅砂填埋制備雙連續(xù)相sic/cu復合材料的示意圖；

24.圖2為實驗例1中得到實施例1制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料組織圖；

25.圖3為實驗例1中對比例制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料組織圖。

具體實施方式

26.以下結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。

27.實施例1

28.本實施例的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，包括以下步驟：

29.1)對牌號qsn6

?6?

3的錫青銅合金表面進行打磨、除油和超聲清洗；錫青銅合金的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

30mm；

30.2)對sic多孔陶瓷于600℃加熱1h，去除游離碳；sic多孔陶瓷的孔密度為20ppi，孔隙率為82％，平均孔徑為1.6mm；sic多孔陶瓷的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

15mm；

31.3)在氧化鋁坩堝底部鋪設10～15mm厚度的碳化硅砂，把錫青銅合金放置于sic多孔陶瓷上，并置于鋪設碳化硅砂的坩堝中；然后利用碳化硅砂對坩堝中錫青銅合金和sic多孔陶瓷進行填埋，使得錫青銅合金和sic多孔陶瓷與坩堝內(nèi)壁形成10～15mm厚的碳化硅砂；

32.步驟3)中采用的碳化硅砂為黑色碳化硅砂，平均粒徑為1mm；

33.4)將填埋有預浸滲體的坩堝一起放入氣氛爐中并通氬氣保護，以5℃/min的升溫速度進行加熱，溫度達到錫青銅合金熔點時，錫青銅合金開始熔化，當其加熱到1150℃溫度后保溫60min，保溫過程中，錫青銅合金熔體在自重和毛細作用下逐漸向下浸滲到sic多孔

陶瓷中；

34.5)浸滲完成后，停止加熱，使得樣品隨爐冷卻，最終得到無明顯宏觀缺陷，性能良好的雙連續(xù)相sic/cu復合材料。

35.本年實施例的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法具體如圖1所示，坩堝內(nèi)放置錫青銅合金和sic多孔陶瓷，坩堝內(nèi)預浸滲體周圍填充有黑色碳化硅砂。

36.實施例2

37.本實施例的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，包括以下步驟：

38.1)對牌號qsn6

?6?

3的錫青銅合金表面進行打磨、除油和超聲清洗；錫青銅合金的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

45mm；

39.2)對sic多孔陶瓷于600℃加熱1h，去除游離碳；sic多孔陶瓷的孔密度為15ppi，孔隙率為80％，平均孔徑為2.5mm；sic多孔陶瓷的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

15mm；

40.3)在氧化鋁坩堝底部鋪設10～15mm厚度的碳化硅砂，把錫青銅合金放置于sic多孔陶瓷上，并置于鋪設碳化硅砂的坩堝中；然后利用碳化硅砂對坩堝中錫青銅合金和sic多孔陶瓷進行填埋，使得錫青銅合金和sic多孔陶瓷與坩堝內(nèi)壁形成10～15mm厚的碳化硅砂；

41.步驟3)中采用的碳化硅砂為黑色碳化硅砂，平均粒徑為1.5mm。

42.4)將填埋有預浸滲體的坩堝一起放入氣氛爐中并通氬氣保護，以4℃/min的升溫速度進行加熱，溫度達到錫青銅合金熔點時，錫青銅合金開始熔化，當其加熱到1100℃溫度后保溫90min，保溫過程中，錫青銅合金熔體在自重和毛細作用下逐漸向下浸滲到sic多孔陶瓷中。

43.5)浸滲完成后，停止加熱，使得樣品隨爐冷卻，最終得到無明顯宏觀缺陷，性能良好的雙連續(xù)相sic/cu復合材料。

44.實施例3

45.本實施例的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，包括以下步驟：

46.1)對牌號qsn6

?6?

3的錫青銅合金表面進行打磨、除油和超聲清洗；銅合金的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

36mm；

47.2)對sic多孔陶瓷于600℃加熱1h，去除游離碳；sic多孔陶瓷的孔密度為10ppi，孔隙率為90％，平均孔徑為2mm；sic多孔陶瓷的長

×

寬

×

高為50mm

×

50mm

×

15mm；

48.3)在氧化鋁坩堝底部鋪設10～15mm厚度的碳化硅砂，把銅合金放置于sic多孔陶瓷上，并置于鋪設碳化硅砂的坩堝中；然后利用碳化硅砂對坩堝中銅合金和sic多孔陶瓷進行填埋，使得銅合金和sic多孔陶瓷與坩堝內(nèi)壁形成10～15mm厚的碳化硅砂；

49.步驟3)中采用的碳化硅砂為黑色碳化硅砂，平均粒徑為1mm。

50.4)將填埋有預浸滲體的坩堝一起放入氣氛爐中并通氬氣保護，以6℃/min的升溫速度進行加熱，溫度達到錫青銅合金熔點時，銅合金開始熔化，當其加熱到1200℃溫度后保溫30min，保溫過程中，銅合金熔體在自重和毛細作用下逐漸向下浸滲到sic多孔陶瓷中。

51.5)浸滲完成后，停止加熱，使得樣品隨爐冷卻，最終得到無明顯宏觀缺陷，性能良好的雙連續(xù)相sic/cu復合材料。

52.對比例

53.本對比例的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的制備方法，僅是將實施例1雙連續(xù)相sic/cu復合材料的制備方法的步驟4)中氣氛爐中通入的氬氣替換為空氣。

54.實驗例1

55.采用數(shù)碼相機對實施例1以及對比例中制備的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的組織形貌進行表征，其中實施例1制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的組織形貌如圖2所示，對比例制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的組織形貌如圖3所示，圖2和圖3中，深色相對應的是sic相，淺色相對應的是銅合金基體相。其中實施例1制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料的銅合金基體為黃偏褐色，對比例制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的銅合金基體為亮黃色。

56.實驗例2

57.對實施例1以及對比例制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料進行摩擦磨損實驗，結(jié)果見表1。摩擦磨損實驗在qg

?

700氣氛摩擦磨損試驗機上完成，其中選用的運動方式為銷

?

盤旋轉(zhuǎn)模式。對磨銷采用直徑為6.35mm的gcr15軸承鋼，實施例1和對比例中制備的雙連續(xù)相sic/c復合材料分別作為對磨盤。摩擦磨損條件為：載荷是30n,旋轉(zhuǎn)直徑是14mm，旋轉(zhuǎn)速度是400rev/min,磨損時間為30min。實驗過程中摩擦磨損設備自動實時采集摩擦系數(shù)。摩擦磨損實驗前稱量實施例1和對比例中制備的雙連續(xù)相sic/c復合材料的質(zhì)量為m1，磨損后稱量其質(zhì)量為m2，然后通過以下公式計算其體積磨損速率：

[0058][0059]

式中m1是雙連續(xù)相sic/c復合材料磨損前質(zhì)量，m2是雙連續(xù)相sic/c復合材料磨損后質(zhì)量，ρ(g/cm3)是樣品的體積密度，f(n)為載荷，s(m)為磨損路程。

[0060]

表1摩擦磨損實驗結(jié)果

[0061] 磨損速率/(cm3·

m

?1·

n

?1)摩擦系數(shù)實施例11.33

×

10

?60.31對比例3.25

×

10

?60.38

[0062]

由表1可看到，實施例1中制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料的磨損速率低于對比例中制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料的磨損速率，實施例1中制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料的摩擦系數(shù)也小于對比例中制得雙連續(xù)相sic/cu復合材料的摩擦系數(shù)?？梢姳景l(fā)明無氧環(huán)境無壓浸滲制得的雙連續(xù)相sic/cu復合材料具有良好的摩擦磨損性能。技術(shù)特征：

1.一種雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：將sic多孔陶瓷和銅基金屬作為預浸滲體；然后采用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋使預浸滲體的底部和周圍分布碳化硅砂，在無氧環(huán)境下升溫進行無壓浸滲，無壓浸滲完成后，降溫即得雙連續(xù)相sic/cu復合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述碳化硅砂的平均粒徑為1～1.5mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述無壓浸滲的溫度為銅基金屬熔點以上50～300℃。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述sic多孔陶瓷的孔隙率為80～90％。5.根據(jù)權(quán)利要求1

?

4中任意一項所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述sic多孔陶瓷的孔密度為10～20ppi；所述sic多孔陶瓷的平均孔徑為1.6～2.5mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1

?

4中任意一項所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述無氧環(huán)境通過向環(huán)境中充入氬氣形成。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述銅基金屬為錫青銅。8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述無氧環(huán)境下無壓浸滲的溫度為1100～1200℃；所述無氧環(huán)境下無壓浸滲的時間為30～90min。9.根據(jù)權(quán)利要求1

?

4中任意一項所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述升溫的速度為4～6℃/min。10.根據(jù)權(quán)利要求1

?

4中任意一項所述的雙連續(xù)相sic/cu復合材料的方法，其特征在于，所述填埋通過以下方式實現(xiàn)：在坩堝底部鋪設一層碳化硅砂，然后將預浸滲體放置在坩堝底部的碳化硅砂上，并在預浸滲體周圍填滿碳化硅砂，壓實即可。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種雙連續(xù)相SiC/Cu復合材料的方法，屬于無壓浸滲技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的雙連續(xù)相SiC/Cu復合材料的方法，包括以下步驟：將SiC多孔陶瓷和銅基金屬作為預浸滲體；然后采用碳化硅砂對預浸滲體進行填埋使預浸滲體的底部和周圍分布碳化硅砂，在無氧環(huán)境下升溫進行無壓浸滲，無壓浸滲完成后，降溫即得雙連續(xù)相SiC/Cu復合材料。本發(fā)明的方法工藝簡單，易于實現(xiàn)，且操作過程簡單，以碳化硅砂作為模具材料，有助于通過高溫無氧條件下無壓浸滲提高銅基復合材料力學性能時，避免氧化物砂在高溫無氧環(huán)境下發(fā)生脫氧反應，導致模具坍塌失效；同時還可以減少模具材料跟預浸滲體中SiC多孔陶瓷發(fā)生反應。陶瓷發(fā)生反應。陶瓷發(fā)生反應。

技術(shù)研發(fā)人員：傅麗華 周孟 張永振 杜三明 劉建 賀甜甜 岳赟 倪鋒 毛艷珊

受保護的技術(shù)使用者：河南科技大學

技術(shù)研發(fā)日：2021.09.10

技術(shù)公布日：2021/12/3