专利摘要

本发明公开了一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。首先在铝片表面铺覆碳化硅颗粒，将多个铝片叠放后在室温下进行轧制变形，变形后沿长度方向对折，然后再进行轧制，重复以上过程直至循环50次以上；随后每次轧制变形前，将样品加热保温，重复数次最终获得块体复合材料。在室温变形过程中，在基体的塑性流变作用下，碳化硅颗粒面密度和层间距都逐渐减小，当轧制道次足够高时，即可得碳化硅颗粒纳米级均匀分散效果；高温轧制使复合材料进一步致密化且降低基体中晶格缺陷密度。该方法所需设备为工业轧机和马沸炉，工艺简单，成本低，方便大规模工业应用，所得复合材料基体晶粒细小，纳米颗粒含量高且分散均匀，具有优良的强度和韧性。

权利要求

1.一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将原材料铝片除去表面杂质，备用；将一定量的纳米碳化硅颗粒加入挥发性溶剂中，超声震荡后形成悬浊液，将悬浊液涂覆在铝片的一侧表面，待溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面，得到板状叠层坯料；

步骤2、将板状叠层坯料在室温下进行轧制减厚变形，每三次的累积压下量分别为20％、40％、50％，记为1个道次；每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制；重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，得到中间材料；

步骤3、将步骤2所获得的中间材料进行多道次高温轧制，其中每次轧制前将材料加热并保温一定时间，其他同步骤2，得到最终复合材料。

2.如权利要求1所述的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：其中，所述步骤1中，所述挥发性溶剂的沸点不高于100℃。

3.如权利要求1所述的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，每次轧制送样方向均为对折端在前。

4.如权利要求1所述的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，加热温度为450～600℃，保温时间为3～30分钟，轧制道次为3-5次。

5.如权利1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述板状叠层坯料减厚方式还可采用锻压和挤压变形方式。

6.一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述制备方法制备。

7.如权利要求6所述的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：纳米碳化硅颗粒尺寸为10-100nm，纳米碳化硅体积分数为0-20％，其中晶界碳化硅相对晶内碳化硅比例不高于0.1，10万倍放大条件下纳米碳化硅团聚率不高于5％，铝基体晶粒尺寸为180～800nm，复合材料硬度提升率为3.8-9.2倍，强度提升率为4.2-8.9倍。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种铝基复合材料，具体涉及一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料通常是指将刚性的陶瓷颗粒嵌入到韧性的铝基体中所形成的一类材料。由于其较高的比强度和比模量，它被广泛应用于航空航天、国防军事以及交通运输等领域。一般而言，纳米颗粒对铝基复合材料的强化效果好于微米颗粒。这是因为纳米颗粒在铝基体中可以阻碍位错的运动，从而提高复合材料的强度；此外，纳米颗粒还可以避免裂纹的萌生和扩展，从而减少复合材料塑性的降低。因此，纳米颗粒增强铝基复合材料被认为是有良好应用前景的高强高韧材料。

目前铝基纳米复合材料大多采用搅拌铸造和粉末冶金等工艺制备。与铝基体相比，这些复合材料的强度大多都有所提高，但是提升幅度不大，而且还存在着塑性剧烈下降的问题。该现象的主要原因是目前的制备工艺无法有效分散纳米颗粒。而纳米颗粒的团聚不仅会降低强化效果，还会导致应力集中，从而导致提前断裂，降低塑性。纳米颗粒之所以难以被分散的原因在于其与金属基体间的润湿性较差，高的表面能使得其容易团聚。因此，如何在铝基体中均匀分散纳米颗粒是制备工艺中的关键。有研究者采用基于固态变形的工艺制备金属基复合材料，但是该类工艺应变量水平较低，无法达到纳米尺寸变形效果，因而无法实现纳米颗粒的均匀分散，从而无法制备得到性能优异的复合材料。2017年，国外研究者在国际著名期刊《自然》(Nature)中报道了一种通过蒸发镁合金基体的手段，可以获得纳米碳化硅颗粒均匀分布的高强度镁基复合材料。但是，该方法存在效率低、基体金属损失大、工艺过程复杂等问题，难以实现工业化生产。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法。该方法工艺简单，只需要工业轧机和马沸炉，适合于大规模工业应用。制备的复合材料中纳米碳化硅颗粒具有纳米级分散均匀度，基体晶粒细小，缺陷密度低，实现了高强度和塑性的良好平衡。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将原材料铝片除去表面杂质，备用；将一定量的纳米碳化硅颗粒加入挥发性溶剂中，超声震荡后形成悬浊液，将悬浊液涂覆在铝片的一侧表面。待溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面。得到板状叠层坯料；

步骤2、将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每三次的累积压下量分别为20％、40％、 50％，记为1个道次。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，得到中间材料；

步骤3、将步骤2所获得的中间材料进行多道次高温轧制，其中每次轧制前将材料加热并保温一定时间，其他同步骤2，得到最终复合材料。

优选的，所述步骤1中，所述挥发性溶剂的沸点不高于100℃。

进一步地，所述步骤1中，所述挥发性溶剂采用乙醇。

优选的，所述步骤2中，每次轧制送样方向均为对折端在前。

优选的，所述步骤3中，加热温度为450～600℃，保温时间为3～30分钟，轧制道次为 3-5次。

进一步地，所述板状叠层坯料减厚方式还可采用锻压和挤压变形方式。

一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，采用上述任意一项所述制备方法制备。

一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：纳米碳化硅颗粒尺寸为10-100nm，纳米碳化硅体积分数为0-20％，其中晶界碳化硅相对晶内碳化硅比例不高于0.1，10万倍放大条件下纳米碳化硅团聚率不高于5％，铝基体晶粒尺寸为180～800nm，复合材料硬度提升率为3.2-9.2倍，强度提升率为4.2-8.9倍

本发明的原理主要为：在室温多道次轧制变形过程中，随着累积变形量的增加，由于铝基体层间塑性流变作用，纳米碳化硅颗粒在轧制平面的面密度逐渐减小，同时在法向方向上纳米碳化硅层间距逐渐减小。当达到足够轧制道次时(大于或等于50次)，能够获得在铝基体中的纳米级均匀分散效果。高温轧制过程中，由于高温下铝基体的回复和软化作用，导致材料中晶体缺陷的进一步减小和材料完全致密化，同时高温热激活作用下，由于纳米碳化硅颗粒的钉扎作用，使得铝基体晶界驰豫同时晶界迁移受到制约，从而形成超细晶粒组织。复合材料中均匀分散的高分数纳米碳化硅组织，使得弥散强化、细晶强化、热错配强化等不同机制的耦合作用得到充分发挥，从而使得复合材料具有高强度和韧性优良综合性能。特别说明的是，本发明中，实现超高累积应变量(道次大于或等于50次)室温轧制是获得所需材料组织和性能效果的关键，为此采用了每道次分步轧制和变温轧制工艺，并需严格控制和优化分步轧制变形量和高温轧制工艺参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明为一种新型固态形变复合工艺，工艺环节简单，连续性和可控性强，主要设备为工业轧机和马沸炉，在大气环境下即可，无需无氧环境，可以实现工业规模化生产。

2、本发明制备的纳米碳化硅增强铝基复合材料具有优良的组织结构。复合材料致密度高，晶体缺陷低，基体晶粒细小，纳米碳化硅含量高，并具有纳米级分散均匀度。

3、本发明制备的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料性能优越。复合材料硬度提升率可达 9.2倍，拉伸强度提升率可达8.9倍，同时具有优良的强韧性综合性能，在轻质高强材料领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中图1(a)为低倍数扫描电镜图，图1(b)为高倍数扫描电镜图。

图2为本发明实施例1中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片。

图3为本发明实施例2中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中图3(a)为低倍数扫描电镜图，图3(b)为高倍数扫描电镜图。

图4为本发明实施例2中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片。

图5为本发明实施例3中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中图5(a)为低倍数扫描电镜图，图5(b)为高倍数扫描电镜图。

图6为本发明实施例3中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片。

图7为本发明实施例4中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中图7(a)为低倍数扫描电镜图，图7(b)为高倍数扫描电镜图。

图8为本发明实施例4中得到的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料的透射电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

以碳化硅颗粒为增强体、纯铝片为基体。本实施例中铝片的尺寸：长250mm，宽100mm，厚0.25mm。碳化硅颗粒大小为56nm。碳化硅体积分数为5％。采用工业轧机轧制。

(1)切取125×50×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对样品表面进行打磨和清理。根据纯铝片的体积，将相应体积分数为5％的碳化硅颗粒加入到适量乙醇中并使用超声波清洗仪使碳化硅颗粒均匀混合在乙醇中，从而形成碳化硅颗粒-乙醇悬浊液。将碳化硅颗粒-乙醇悬浊液均匀地涂覆在纯铝片的表面。待乙醇溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面。得到叠层坯料；

(2)将叠层坯料在室温下进行轧制，每三次的累积压下量分别为20％、40％、50％，记为1个道次。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制，其中送样方向为对折端在前。重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，也就是对折后旋转90°后送样轧制，轧制完毕后得到中间材料；

(3)将轧制好的样品进行高温轧制处理：在马沸炉中600℃的条件下保温10分钟。保温时间到后立即将样品从马沸炉中取出并且进行轧制。高温轧制时轧制后的样品待其冷却后进行表面处理打磨除去氧化膜。然后再进行对折重复保温、轧制、打磨的过程共3道次，即得纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

图1为本发明实施例1中制备的复合材料纵截面的扫描电镜照片，(a)和(b)分别为不同放大倍数。从该图可以看出，试样中没有明显缺陷，纳米碳化硅颗粒均匀地分散在铝基体上，团聚率低于5％。图2为本发明实施例1中制备的复合材料的铝基体的晶粒组织，从该图可以看出，铝基体的晶粒大小为～740nm，为超细晶。

本实施例中经过50道次轧制并采用3道次高温轧制工艺，最终得到的碳化硅颗粒均匀分散的铝基复合材料，其硬度值为89.6Hv，约为基体的3.8倍。其拉伸强度为284MPa，约为基体的4.2倍，断裂延伸率为18.2％。

实施例2

以碳化硅颗粒为增强体、纯铝片为基体。本实施例中铝片的尺寸：长250mm，宽100mm，厚0.25mm。碳化硅颗粒大小为56nm。碳化硅体积分数为10％。采用工业轧机轧制。

(1)切取125×50×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对样品表面进行打磨和清理。根据纯铝片的体积，将相应体积分数为10％的碳化硅颗粒加入到适量乙醇中并使用超声波清洗仪使碳化硅颗粒均匀混合在乙醇中，从而形成碳化硅颗粒-乙醇悬浊液。将碳化硅颗粒-乙醇悬浊液均匀地涂覆在纯铝片的表面。待乙醇溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面。得到叠层坯料；

(2)将叠层坯料在室温下进行轧制，每三次的累积压下量分别为20％、40％、50％，记为1个道次。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制，其中送样方向为对折端在前。重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，也就是对折后旋转90°后送样轧制，轧制完毕后得到中间材料；

(3)将轧制好的样品进行高温轧制处理：在马沸炉中600℃的条件下保温10分钟。保温时间到后立即将样品从马沸炉中取出并且进行轧制，压下量为50％。高温轧制时轧制后的样品待其冷却后进行表面处理打磨除去氧化膜。然后再进行对折重复保温、轧制、打磨的过程共3道次，即得纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

图3为本发明实施例2制备完毕后的的Al-10vol％SiC复合材料纵截面的扫描电镜照片， (a)和(b)分别为不同放大倍数。从图3可以看出，试样中没有明显缺陷，纳米碳化硅颗粒均匀地分散在铝基体上，团聚率低于5％。图4为本发明实施例2中制备的复合材料的的铝基体的晶粒组织，从该图可以看出，铝基体的晶粒大小为～530nm，为超细晶。

本实施例中经过50道次室温轧制并采用3道次高温轧制工艺，最终得到的碳化硅颗粒均匀分散的铝基复合材料，其硬度值为141.9Hv，为基体的6倍。其抗拉强度为464MPa，为基体的6.8倍，断裂延伸率为11.3％。

实施例3

以碳化硅颗粒为增强体、纯铝片为基体。本实施例中铝片的尺寸：长250mm，宽100mm，厚0.25mm。碳化硅颗粒大小为56nm。碳化硅体积分数为15％。采用工业轧机轧制。

(1)切取125×50×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对样品表面进行打磨和清理。根据纯铝片的体积，将相应体积分数为5％的碳化硅颗粒加入到适量乙醇中并使用超声波清洗仪使碳化硅颗粒均匀混合在乙醇中，从而形成碳化硅颗粒-乙醇悬浊液。将碳化硅颗粒-乙醇悬浊液均匀地涂覆在纯铝片的表面。待乙醇溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面。得到叠层坯料；

(2)将叠层坯料在室温下进行轧制，每三次的累积压下量分别为20％、40％、50％，记为1个道次。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制，其中送样方向为对折端在前。重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，也就是对折后旋转90°后送样轧制，轧制完毕后得到中间材料；

(3)将轧制好的样品进行高温轧制处理：在马沸炉中600℃的条件下保温10分钟。保温时间到后立即将样品从马沸炉中取出并且进行轧制。高温轧制时轧制后的样品待其冷却后进行表面处理打磨除去氧化膜。然后再进行对折重复保温、轧制、打磨的过程共3道次，即得纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

图5为本发明实施例3制备完毕后的的Al-15vol％SiC复合材料纵截面的扫描电镜照片， (a)和(b)分别为不同放大倍数。从图5可以看出，试样中没有明显缺陷，纳米碳化硅颗粒均匀地分散在铝基体上，团聚率低于5％。图6为本发明实施例3中制备的复合材料的铝基体的晶粒组织，从该图可以看出，铝基体的晶粒大小为～390nm，为超细晶。

本实施例中经过70道次室温轧制并采用3道次高温轧制工艺，最终得到的碳化硅颗粒均匀分散的铝基复合材料，其硬度值为184.2Hv，为基体7.8倍。其抗拉强度为607MPa，为基体的8.9倍。

实施例4

以碳化硅颗粒为增强体、纯铝片为基体。本实施例中铝片的尺寸：长250mm，宽100mm，厚0.25mm。碳化硅颗粒大小为56nm。碳化硅体积分数为20％。采用工业轧机轧制。

(1)切取125×50×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对样品表面进行打磨和清理。根据纯铝片的体积，将相应体积分数为20％的碳化硅颗粒加入到适量乙醇中并使用超声波清洗仪使碳化硅颗粒均匀混合在乙醇中，从而形成碳化硅颗粒-乙醇悬浊液。将碳化硅颗粒-乙醇悬浊液均匀地涂覆在纯铝片的表面。待乙醇溶剂完全挥发后，将多片铝片交替叠放，并使得最外表面为无碳化硅面。得到叠层坯料；

(2)将叠层坯料在室温下进行轧制，每三次的累积压下量分别为20％、40％、50％，记为1个道次。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制，其中送样方向为对折端在前。重复以上过程直至总轧制道次为50次以上，其中前20道次维持轧制方向不变，而之后每道次轧制方向与上一次呈90°，也就是对折后旋转90°后送样轧制，轧制完毕后得到中间材料；

(3)将轧制好的样品进行高温轧制处理：在马沸炉中600℃的条件下保温10分钟。保温时间到后立即将样品从马沸炉中取出并且进行轧制。高温轧制时轧制后的样品待其冷却后进行表面处理打磨除去氧化膜。然后再进行对折重复保温、轧制、打磨的过程共3道次，即得纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

图7为本发明实施例4制备完毕后的的Al-20vol％SiC复合材料纵截面的扫描电镜照片， (a)和(b)分别为不同放大倍数。从图7可以看出，试样中没有明显缺陷，纳米碳化硅颗粒均匀地分散在铝基体上，团聚率低于5％。图8为本发明实施例4中制备的复合材料的铝基体的晶粒组织，从该图可以看出，铝基体的晶粒大小为～180nm，为超细晶。

本实施例中经过50道次室温轧制并采用3道次高温轧制工艺，最终得到的碳化硅颗粒均匀分散的铝基复合材料，其硬度值为216.7Hv，为基体的9.2倍。其抗拉强度为445MPa，为基体的6.5倍。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。