本技术涉及铝基碳化硅复合材料制备，尤其是涉及一种高强高韧铝基碳化硅复合材料及制备工艺。
背景技术：
1、碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒作为增强相，以铝或铝合金作为基体通过粉末冶金工艺制备的高性能铝基复合材料，具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨、比强度和比弹性模量高等特点。
2、目前，铝基碳化硅复合材料在实际应用中存在冲击韧性不足的问题，主要是因为作为增强相的碳化硅与铝合金界面相容性较差，导致增强相的碳化硅与铝合金的结合强度较低，主要原因如下：碳化硅颗粒在铝基体中的分布不均匀，导致碳化硅颗粒增强铝基复合材料在受力时出现局部应力集中的情况，从而降低材料的整体韧性和强度，也会导致碳化硅颗粒增强铝基复合材料综合性能不稳定其质量稳定性差，不易于工业化生产。碳化硅与铝合金的接触角过高会导致两者之间的结合面积减小，从而影响增强相的碳化硅与铝合金界面结合强度，从而影响铝基碳化硅复合材料的整体性能。针对上述现有技术存在的问题，发明人提供了一种高强高韧铝基碳化硅复合材料及制备工艺。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种高强高韧铝基碳化硅复合材料及制备工艺。
2、本技术提供的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，是通过以下技术方案得以实现的：
3、一种高强高韧铝基碳化硅复合材料是由以下质量百分比的原料制成：30-36%的表面改性型碳化硅粉、4-8%的表面改性型纳米碳纤维、3-6%的表面改性型多壁碳纳米管、0.5-2%的表面改性型晶须组合物、余量为铝合金粉；
4、所述铝合金粉为6061铝合金粉、6063铝合金粉、6013铝合金粉中的至少一种；
5、所述表面改性型晶须组合物包括复合型晶须载体和固定于复合型晶须载体表面的界面改性粒子a，所述复合型晶须载体为碳化硅晶须、氧化锌晶须搭配钛酸钾晶须、碳化钛晶须中的至少一种组成；所述界面改性粒子a为纳米金属簇、单原子级过渡金属中的至少一种，纳米金属簇为金属铝纳米簇、金属镍纳米簇、金属铜纳米簇、金属银纳米簇、金属镁纳米簇、金属钛纳米簇中的至少一种；单原子级过渡金属为铝、镁、钛、铜、银中的至少一种；
6、所述表面改性型纳米碳纤维包括纳米碳纤维载体和通过化学气相沉积于纳米碳纤维载体表面的纳米金属簇，所述纳米金属簇为纳米铝金属簇、金属镍纳米簇、纳米铜金属簇、纳米镁金属簇、纳米钛金属簇、纳米银金属簇中的至少一种；
7、所述表面改性型碳化硅粉包括超细碳化硅粉和接枝于超细碳化硅粉表面的多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管为表面改性型多壁碳纳米管，所述表面改性型多壁碳纳米管包括多壁碳纳米管基体和复合于多壁碳纳米管表面的界面改性粒子b，所述界面改性粒子b为单原子级过渡金属，所述单原子级过渡金属为铝、镁、钛、铜、银中的至少一种。
8、本技术中型碳化硅粉、纳米碳纤维、碳纳米管、晶须组合物进行表面优化改性，所获得的表面改性型碳化硅粉、表面改性型纳米碳纤维、表面改性型多壁碳纳米管、表面改性型晶须组合物与铝合金粉的界面相容好，即具有良好的界面结合强度，赋予了铝基碳化硅复合材料良好的致密度、均匀性、耐磨性、机械强度、抗腐蚀性、导热性和优良的冲击韧性，解决了现有技术存在的增强相的碳化硅与铝合金的结合强度较低，导致的整体综合性能较差的问题。
9、优选的，所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须以质量比(6-8.5):(1-2):(0.5-2)组成。
10、优选的，所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、碳化钛晶须以质量比(6-8):(1-2):(1-2)组成。
11、优选的，所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须、碳化钛晶须以质量比(5-7.5):(1-2):(1-2):(0.5-1)组成。
12、通过采用上述技术方案，可改善铝基碳化硅复合材料的力学强度和冲击韧性。
13、优选的，所述表面改性型碳化硅粉的制备方法，包括以下步骤：
14、步骤一，表面改性型多壁碳纳米管的制备；
15、步骤二，在配置ag(2e4mi)2ac络合物溶液中加入步骤一中制备的表面改性型多壁碳纳米管和聚乙烯吡咯烷酮，所述表面改性型多壁碳纳米管与所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:（0.8-1.2），所述表面改性型多壁碳纳米管与ag(2e4mi)2ac络合物溶液的质量比为1:（80-120），所述ag(2e4mi)2ac络合物溶液中ag(2e4mi)2ac络合物含量0.6-1.2wt%，超声分散2-6h后加入粒径0.5-5微米的超细碳化硅粉，所述超细碳化硅粉与表面改性型多壁碳纳米管的质量比为1:(20-100)，继续超声分散30-60min得分散液；
16、步骤三，所得分散液减压蒸馏去除ag(2e4mi)2ac络合物溶液中的有机溶液的固体物；
17、步骤四，所得固体物进行高温烧结处理，于210-220℃下烧结3-5h制得块状固体物；
18、步骤五，块状固体物气流粉碎处理后得平均粒径1-8μm的表面改性型碳化硅粉。
19、本技术中提供的表面改性型碳化硅粉的制备方法相对简单，便于工业化生产制造。
20、优选的，所述表面改性型多壁碳纳米管的制备方法如下：先将1-3g水溶性金属盐溶解于100ml的蒸馏水中磁力搅拌10-20min后加入4-8g的氨基化多壁碳纳米管，所述水溶性金属盐包括水溶性铝盐、水溶性金属铜盐、水溶性金属镁盐、水溶性金属银盐、水溶性金属钛盐中的至少一种，磁力搅拌10-20min后加入浓度为4-8wt%氨水，直至al完全沉淀后继续磁力搅拌1.0h，静置24h得al(oh)3/mwnt二元胶体，采用蒸馏水对制得二元胶体进行三次洗涤后抽滤得固体粉末，所得固体粉末置于真空干燥箱中，于120-125℃干燥10-24h，转置气氛管式炉中进行煅烧处理，在空气气氛下以 580-640℃煅烧4-5h制得al2o3/mwnt复合粉末，再向气氛管式炉中通入氢氩混合气，所述氢氩混合气中氢气与氩气体积比为1:(3-9)，维持温度为580-640℃下还原反应3-6h，开炉自然冷却至室温球磨处理得表面掺杂纳米铝金属簇的多壁碳纳米管。
21、优选的，所述表面改性型多壁碳纳米管的制备方法如下：先将多壁碳纳米管分散液与koh溶液混合搅拌后干燥处理，得到表面碱处理的多壁碳纳米管/koh粉；将所得多壁碳纳米管/koh粉放入坩埚a中，将氯化金属盐放入坩埚b，所述氯化金属盐包括氯化铝、氯化铜、氯化钛、氯化镁、氯化银中的至少一种，将坩埚a装载置管式炉的下游区，将坩埚b装载置管式炉的上游区，密封管式炉，在氩气氛下，将管式炉上游温区以10-15℃/min的升温速度，从室温升至500-650℃保温60-90min，同时将管式炉的下游温区以10-15℃/min的升温速度，从室温升到600-750℃保温60-90min，获得金属单原子掺杂多壁碳纳米管前驱体；将金属单原子掺杂多壁碳纳米管前驱体加入到浓度为0.5-2mol/l的稀盐酸中，搅拌、真空抽滤、蒸馏水洗涤、干燥，即得到金属单原子掺杂多壁碳纳米管。
22、优选的，所述高强高韧铝基碳化硅复合材料是由以下质量百分比的原料制成：32-35%的表面改性型碳化硅复合粉、6-7%的表面改性型纳米碳纤维、3-4%的表面改性型多壁碳纳米管、0.8-1.2%的表面改性型晶须组合物、余量为6061铝合金粉。
23、通过采用上述技术方案，可制得高强高韧铝基碳化硅复合材料。
24、本技术提供的高强高韧铝基碳化硅复合材料的制备工艺，是通过以下方案得以实现的：
25、一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，包括以下步骤：
26、步骤一，表面改性型多壁碳纳米管、表面改性型碳化硅粉、表面改性型纳米碳纤维、表面改性型晶须组合物的制备；
27、步骤二，将表面改性型多壁碳纳米管、表面改性型纳米碳纤维、表面改性型晶须组合物、铝合金粉进行高速球磨处理，所述铝合金粉质量等于所述表面改性型多壁碳纳米管、表面改性型纳米碳纤维、表面改性型晶须组合物总质量的1.2-1.4倍，所得合金混合料通过气雾法制得球形合金粉，球形合金粉的d50为5-20微米，振实密度大于2.0g/cm3；
28、步骤三，将步骤二中的球形合金粉与步骤一中的表面改性型碳化硅粉混合均匀后置于模具中进行冷等静压成型处理，冷等静压成型参数如下：成型温度20-50℃，成型压力：先以20 mpa/s加压至 100mpa，保压10-20s，再以10 mpa/s加压至 200mpa，保压10-20s，再以5mpa/s加压至 300mpa，保压10-20s，再以2mpa/s加压至 400mpa，保压10-30s，再以1mpa/s加压至 500mpa，保压10-30s，然后以5mpa/s降压至200 mpa，保压20-40s，再以20mpa/s降压至0mpa，成型速度为2-6mm/s，完成冷等静压成型处理后即可制得预压制件；
29、步骤四，所得预压制件在氮气或者惰性保护气氛下进行快速烧结处理，快速烧结的升温速率50-200℃/min升温至650-750℃保温0.5-2.0h，以5-10℃/min降温至520-540℃保温80-150min，开炉自然冷却至室温，即可制得高导热性能的高强高韧铝基碳化硅复合材料。
30、本技术中提供的铝基碳化硅复合材料的制备方法相对简单，便于工业化生产制造。
31、优选的，所述步骤三，将步骤二中的球形合金粉与步骤一中的表面改性型碳化硅粉混合均匀后置于模具中进行冷等静压成型处理，冷等静压成型参数如下：成型温度为室温，实测20.8℃，成型压力：先以20 mpa/s加压至 100mpa，保压10s，再以10 mpa/s加压至200mpa，保压20s，再以5mpa/s加压至 300mpa，保压20s，再以2mpa/s加压至 400mpa，保压30s，再以1mpa/s加压至 500mpa，保压30s，然后以5mpa/s降压至200 mpa，保压30s，再以20mpa/s降压至0mpa，成型速度为3-4mm/s，完成冷等静压成型处理后即可制得预压制件。
32、通过采用上述技术方案，可保证制备的铝基碳化硅复合材料同批次质量稳定性。
33、综上所述，本技术具有以下优点：
34、1、本技术中的铝基碳化硅复合材料具有较好的力学强度和冲击韧性，解决了现有技术存在的增强相的碳化硅与铝合金的结合强度较低，导致的整体综合性能较差的问题。
35、2、本技术中提供的表面改性型碳化硅粉的制备方法相对简单，便于工业化生产制造。
36、3、本技术中提供的铝基碳化硅复合材料的制备方法相对简单，便于工业化生产制造。
1.一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：是由以下质量百分比的原料制成：30-36%的表面改性型碳化硅粉、4-8%的表面改性型纳米碳纤维、3-6%的表面改性型多壁碳纳米管、0.5-2%的表面改性型晶须组合物、余量为铝合金粉；
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须以质量比(6-8.5):(1-2):(0.5-2)组成。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、碳化钛晶须以质量比(6-8):(1-2):(1-2)组成。
4.根据权利要求1所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述复合型晶须载体由碳化硅晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须、碳化钛晶须以质量比(5-7.5):(1-2):(1-2):(0.5-1)组成。
5.根据权利要求1所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述表面改性型碳化硅粉的制备方法，包括以下步骤：
6.根据权利要求1或5所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述表面改性型多壁碳纳米管的制备方法如下：先将1-3g水溶性金属盐溶解于100ml的蒸馏水中磁力搅拌10-20min后加入4-8g的氨基化多壁碳纳米管，所述水溶性金属盐包括水溶性铝盐、水溶性金属铜盐、水溶性金属镁盐、水溶性金属银盐、水溶性金属钛盐中的至少一种，磁力搅拌10-20min后加入浓度为4-8wt%氨水，直至al完全沉淀后继续磁力搅拌1.0h，静置24h得al(oh)3/mwnt二元胶体，采用蒸馏水对制得二元胶体进行三次洗涤后抽滤得固体粉末，所得固体粉末置于真空干燥箱中，于120-125℃干燥10-24h，转置气氛管式炉中进行煅烧处理，在空气气氛下以 580-640℃煅烧4-5h制得al2o3/mwnt复合粉末，再向气氛管式炉中通入氢氩混合气，所述氢氩混合气中氢气与氩气体积比为1:(3-9)，维持温度为580-640℃下还原反应3-6h，开炉自然冷却至室温球磨处理得表面掺杂纳米铝金属簇的多壁碳纳米管。
7.根据权利要求1或5所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述表面改性型多壁碳纳米管的制备方法如下：先将多壁碳纳米管分散液与koh溶液混合搅拌后干燥处理，得到表面碱处理的多壁碳纳米管/koh粉；将所得多壁碳纳米管/koh粉放入坩埚a中，将氯化金属盐放入坩埚b，所述氯化金属盐包括氯化铝、氯化铜、氯化钛、氯化镁、氯化银中的至少一种，将坩埚a装载置管式炉的下游区，将坩埚b装载置管式炉的上游区，密封管式炉，在氩气氛下，将管式炉上游温区以10-15℃/min的升温速度，从室温升至500-650℃保温60-90min，同时将管式炉的下游温区以10-15℃/min的升温速度，从室温升到600-750℃保温60-90min，获得金属单原子掺杂多壁碳纳米管前驱体；将金属单原子掺杂多壁碳纳米管前驱体加入到浓度为0.5-2mol/l的稀盐酸中，搅拌、真空抽滤、蒸馏水洗涤、干燥，即得到金属单原子掺杂多壁碳纳米管。
8.根据权利要求1所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料，其特征在于：所述高强高韧铝基碳化硅复合材料是由以下质量百分比的原料制成：32-35%的表面改性型碳化硅粉、6-7%的表面改性型纳米碳纤维、3-4%的表面改性型多壁碳纳米管、0.8-1.2%的表面改性型晶须组合物、余量为6061铝合金粉。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的高强高韧铝基碳化硅复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种高强高韧铝基碳化硅复合材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤三，将步骤二中的球形合金粉与步骤一中的表面改性型碳化硅粉混合均匀后置于模具中进行冷等静压成型处理，冷等静压成型参数如下：成型温度为室温，实测20.8℃，成型压力：先以20 mpa/s加压至 100mpa，保压10s，再以10 mpa/s加压至 200mpa，保压20s，再以5mpa/s加压至 300mpa，保压20s，再以2mpa/s加压至 400mpa，保压30s，再以1mpa/s加压至 500mpa，保压30s，然后以5mpa/s降压至200 mpa，保压30s，再以20mpa/s降压至0mpa，成型速度为3-4mm/s，完成冷等静压成型处理后即可制得预压制件。
