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一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的 铝基 复合材料及其制备工艺

阅读：7发布：2020-09-06

专利汇可以提供一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺。该铝基复合材料由Al-Cu-Mg-Co 合金基体和B4C与Si的混合增强相组成，按体积百分比计，Al-Cu-Mg-Co合金基体的含量为30-45％，B4C的含量为55-60％，Si的含量为a，0＜a≤10％。该铝基复合材料采用粉末冶金的方法制备，主要包括B4C与Si颗粒的预处理、增强相与Al合金基体粉体球磨混合、粉末冷等静压、真空除气、热等静压等步骤。本发明的铝基复合材料的密度为2.55～2.60g/cm3，抗弯强度为450～530MPa，弹性模量为180～220GPa，热膨胀系数为7.6～9.5×10-6K-1，热导率为70～100W/m·K；该材料的优异性能可以较好满足航天轻质高强结构功能件材料的使用要求。，下面是一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，其特征在于，由Al-Cu-Mg-Co 合金基体和B4C与Si的混合增强相组成，按体积百分比计，Al-Cu-Mg-Co合金基体的含量为
30-45％，B4C的含量为55-60％，Si的含量为a，0＜a≤10％。
2.根据权利要求1所述的高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，其特征在于，5％≤a≤10％。
3.根据权利要求1所述的高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，其特征在于，所述Al-Cu-Mg-Co合金中，按重量百分比计，各金属成分的含量为Cu 3.6％-4.5％、Mg
0.8％-1.5％、Co 0-2％，余量为Al。
4.一种权利要求1所述的高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)将B4C进行预氧化处理，Si颗粒进行烘干处理；
(2)采用雾化Al粉、Cu粉、Mg粉与Co粉配置成Al-Cu-Mg-Co合金粉末；
(3)将预处理后的B4C、Si颗粒与配置好的Al合金粉末按比例装入球磨机进行混粉；
(4)将球磨混合后的粉末进行冷等静压成型为坯锭，将坯锭装入真空除气用包套进行真空除气，然后对真空除气后的坯锭进行热等静压成型。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(1)中，B4C的粒径为5-20μm，B4C的纯度高于95％；预氧化温度为300-450℃，保温时间为24-48h。
6.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(2)中，Al粉的粒径为5-30μm，Cu粉的粒径为5-20μm，Mg粉的粒径为25-50μm，Co粉的粒径为1-4μm。
7.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(3)中，粉末在转动式球磨机中混合，球磨机转速为40-150转/分钟，球磨时间为10-40h，球料比为2∶1。
8.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(4)中，冷等静压的压力为80-
180MPa，保压时间为10-30min。
9.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(4)中，所述真空除气用包套为纯Al包套，坯锭除气结束时真空度小于1×10-2Pa。
10.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，在步骤(4)中，热等静压的温度为
550-580℃，压力为90-130MPa，保压时间为1-3h。

说明书全文

一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的 铝基 复合材料及其制

备工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺，属于航天材料技术领域。

背景技术

[0002] B4C具有良好的物理、化学性能和力学性能，具有近乎恒定的高温硬度、高的弹性模量(450～470GPa)、高耐磨性、抗氧化性、以及良好的中子吸收性能、低的密度(2.52g/cm3)等特点，在航空航天、电子通讯、切割研磨工具、核工业领域发挥着极大的作用。由于B4C上述优异的综合性能，将其用于强化铝合金基体制备B4C/Al复合材料时，材料可获得低的密度、高比强度和比刚度、低热膨胀系数、良好的导热性、高尺寸稳定性及耐磨等优异的力学和物理性能，可广泛应用于航空航天、核能等重要领域。

[0003] 以应用于航天领域用的轻质高强结构功能件为例，需要所用材料具有低密度、高比刚度、高比强度以及良好的热学性能，同时需要材料在空间环境下具良好的稳定性。高体积分数(55～70vol.％)B4C/Al复合材料具备了上述所有性能要求，使其成为航天领域用结构功能件的最佳候选材料。目前常用于航天轻质高强结构功能件的另一类材料为(55～70vol.％)SiC/Al复合材料，该材料的缺点在于增强相SiC的密度较高(3.2g/cm3)，导致复合材料的密度较高(～3.0g/cm3)，并且SiC与Al基体在制备SiC/Al复合材料过程中，如果工艺控制不当会产生Al4C3产物，该物质不仅为脆性相，而且极易水解使得复合材料力学性能变差，材料实际应用稳定性和可靠性不足。而高体积分数(55～70vol.％)B4C/Al复合材料的密度为～2.6g/cm3，与(55～70vol.％)SiC/Al复合材料相比密度降低明显；此外，B4C与Al基体在制备过程中不会生成Al4C3产物，所制备的B4C/Al的材料性能较SiC/Al稳定。

[0004] 目前，用于制备中低体积分数(20～35vol.％)B4C/Al的制备工艺主要为无压浸渗、压力浸渗、粉末冶金等工艺；但目前用于制备高体分55～70vol.％B4C/Al复合材料的工艺常采用无压浸渗和压力浸渗等工艺，尚很少见采用粉末冶金工艺来制备55～70vol.％B4C/Al复合材料的报道。这主要是传统的粉末冶金热压烧结工艺较难实现高体分B4C/Al复合材料致密化制备，从而导致材料综合性能较低，不能满足航天轻质高强结构功能件的高性能要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，在不过多牺牲材料弹性模量的前提下，可较大程度降低B4C/Al复合材料的密度和热膨胀系数，提高热导率。

[0006] 本发明的另一目的在于提供一种所述高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺，采用该制备工艺可获得致密度接近全致密的高体积分数B4C/Al复合材料，材料综合性能优良。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，由Al-Cu-Mg-Co合金基体和B4C与Si的混合增强相组成，按体积百分比计，Al-Cu-Mg-Co合金基体的含量为30-45％，B4C的含量为55-60％，Si的含量为a，0＜a≤10％；优选地，5％≤a≤10％。

[0009] 其中，在Al-Cu-Mg-Co合金中，按重量百分比计，各金属成分的含量为Cu3.6％-4.5％、Mg 0.8％-1.5％、Co 0-2％，余量为Al。即，Al-Cu-Mg-Co合金的名义成分(wt.％)为Al-(3.6-4.5)Cu-(0.8-1.5)Mg-(0-2)Co。

[0010] 一种所述高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0011] (1)将B4C进行预氧化处理，Si颗粒进行烘干处理；

[0012] (2)采用雾化Al粉、Cu粉、Mg粉与Co粉配置成Al-Cu-Mg-Co合金粉末；

[0013] (3)将预处理后的B4C、Si颗粒与配置好的Al合金粉末按比例装入球磨机进行混粉；

[0014] (4)将球磨混合后的粉末进行冷等静压成型为坯锭，将坯锭装入真空除气用包套进行真空除气，然后对真空除气后的坯锭进行热等静压成型。

[0015] 在步骤(1)中，B4C的粒径为5-20μm，B4C的纯度高于95％；预氧化在空气气氛中进行，温度为300-450℃，保温时间为24-48h。

[0016] 在步骤(2)中，Al粉的粒径为5-30μm，Cu粉的粒径为5-20μm，Mg粉的粒径为25-50μm，Co粉的粒径为1-4μm。

[0017] 在步骤(3)中，粉末在转动式球磨机中混合，球磨机转速为40-150转/分钟，球磨时间为10-40h，球料比为2∶1。

[0018] 在步骤(4)中，冷等静压的压力为80-180MPa，保压时间为10-30min。所述真空除气用包套为纯Al包套，坯锭除气结束时真空度小于1×10-2Pa。热等静压的温度为550-580℃，压力为90-130MPa，保压时间为1-3h。

[0019] 本发明的优点在于：

[0020] 与传统单一B4C增强铝基复合材料相比，本发明的高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料热膨胀系数和密度更低，热导率和弯曲强度更高，更适合用于航天精密器件用结构功能材料。本发明的铝基复合材料的密度为2.55～2.60g/cm3，抗弯强度为450～530MPa，弹性模量为180～220GPa，热膨胀系数为7.6～9.5×10-6K-1，热导率为70～100W/m·K；具有低密度、高弹性模量、高强度、低热膨胀系数、高热导率等综合性能，能够满足航天轻质高强结构功能件的性能要求，可以作为航天相机反射镜镜坯材料。

[0021] 与无压浸渗和压力浸渗工艺相比，本发明采用粉末冶金工艺制备复合材料不需要制备复杂的B4C预制件骨架及进行粘结剂脱除工序(粘结剂脱除对环境会造成一定污染)，制备过程更加简单、环保。此外，浸渗工艺的浸渗温度高达1000℃以上，对设备要求高，而本发明采用粉末冶金工艺制备高体积分B4C增强铝基复合材料时烧结温度低于600℃，对设备要求较低，能耗也更低。附图说明

[0022] 图1为本发明高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺流程图。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

[0024] 在本发明的铝基复合材料中，以高体积分数B4C与Si 硅颗粒混合作为增强相。其中，Si颗粒的密度为2.33g/cm3，热膨胀系数为2.6×10-6K-1，热导率为156W/m·K，弹性模量3 -6 -1
为130～190GPa；而B4C的密度为2.52g/cm ，热膨胀系数为4.5×10 K ，热导率为40W/m.K，弹性模量为450～470GPa。对比性能数据可知，除弹性模量低于B4C外，Si颗粒的其他性能相比B4C具有更大的性能优势。因此，本发明在高体分B4C/Al复合材料中添加少量的Si颗粒，在不过多牺牲材料弹性模量的前提下，可较大程度降低B4C/Al复合材料的密度和热膨胀系数，提高热导率，从而获得具有更佳综合性能的复合材料，使其更适合用于航天轻质高强结构功能件材料。

[0025] 如图1所示，本发明的铝基复合材料的制备工艺为：先将B4C进行预氧化处理，Si颗粒进行表面烘干处理，然后将预处理后的B4C粉与Si粉、Al粉、Cu粉、Mg粉、Co粉进行球磨混粉→冷等静压成型→真空除气→热等静压烧结，最后得到B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料。

[0026] 实施例1

[0027] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B4C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B4C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间
20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.58g/cm3，热膨胀系数8.8×10-6K-1(25～
100℃)，热导率90W/m·K，弯曲强度510MPa，弹性模量195GPa。

[0028] 为进行对比，采用相同的工艺制备了60％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.60g/cm3，热膨胀系数9.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率80W/m·K，弯曲强度470MPa，弹性模量197GPa。对比数据得出，(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的密-6 -1度较60％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co减小，同时热膨胀系数降低了0.7×10 K (25～100℃)，热导率提高了10W/m.K，弯曲强度提高40MPa，弹性模量稍有降低(2GPa)。结果表明B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B4C增强的铝基复合材料。

[0029] 实施例2

[0030] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为10vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为35vol.％。上述B4C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B4C、10vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于
1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(55％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.56g/cm3，热膨胀系数8.2×10-6K-1(25～
100℃)，热导率85W/m·K，弹性模量200GPa，弯曲强度500MPa。

[0031] 为进行对比，采用相同的工艺制备了65％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.58g/cm3，热膨胀系数9.0×10-6K-1(25～100℃)，热导率70W/mK，弯曲强度450MPa，弹性模量203GPa。对比数据得出，(55％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co密度-6 -1
较65％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co减小，同时热膨胀系数降低了0.8×10 K (25～100℃)，热导率提高了15W/m·K，弯曲强度提高50MPa，弹性模量稍有降低(3GPa)。结果表明B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B4C增强的铝基复合材料。

[0032] 实施例3

[0033] 复合材料的体积分数为：B4C含量为60vol.％，Si含量为10vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为30vol.％。上述B4C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B4C、10vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-1.0混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间
20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(60％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(60％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.55g/cm3，热膨胀系数7.6×10-6K-1(25～
100℃)，热导率76W/m.K，弹性模量210GPa，弯曲强度440MPa。

[0034] 为进行对比，采用相同的工艺制备了70％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.56g/cm3，热膨胀系数8.1×10-6K-1(25～100℃)，热导率66W/mK，弯曲强度380MPa，弹性模量212GPa。对比数据得出，(60％B4C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co密度较70％B4C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co减小，同时热膨胀系数降低了0.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率提高了10W/m·K，弯曲强度提高60MPa，弹性模量稍有降低(2GPa)。结果表明B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B4C增强的铝基复合材料。

[0035] 实施例4

[0036] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B4C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B4C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间
15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.57g/cm3，热膨胀系数8.6×10-6K-1(25～
100℃)，热导率85W/m·K，弯曲强度505MPa，弹性模量193GPa。

[0037] 实施例5

[0038] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg基体含量为40vol.％。上述B4C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg的粉末，然后将55vol.％B4C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速
100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg复合材料坯锭。所得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg复合材料的密度为
3 -6 -1
2.56g/cm ，热膨胀系数8.6×10 K (25～100℃)，热导率80W/m·K，弯曲强度495MPa，弹性模量191GPa。

[0039] 实施例6

[0040] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B4C粒径为20μm，Al粉粒径30μm、Cu粉粒径20μm、Mg粉粒径30μm，Co粉粒径1μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B4C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间
15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B4C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.57g/cm3，热膨胀系数8.6×10-6K-1(25～
100℃)，热导率87W/m·K，弯曲强度500MPa，弹性模量195GPa。

[0041] 实施例7

[0042] 复合材料的体积分数为：B4C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B4C粒径为20μm，Al粉粒径30μm、Cu粉粒径20μm、Mg粉粒径30μm，Co粉粒径1μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co的粉末，然后将55vol.％B4C、5vol.％Si与40vol.％Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间
15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B4C+5％Si)/Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co复合材料坯锭。所得(55％B4C+5％Si)/Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co复合材料的密度为2.58g/cm3，热膨胀系数8.4×10-6K-1(25～
100℃)，热导率89W/m·K，弯曲强度530MPa，弹性模量196GPa。

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一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺

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