[发明专利]一种原位生成均质纳米级陶瓷-金属复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米级陶瓷-金属复合材料领域，具体涉及一种原位生成均质纳米级陶瓷-金属复合材料的制备方法。

背景技术

陶瓷-金属复合材料是目前备受关注的复合材料之一。由于采用陶瓷，尤其是粒径为纳米级的陶瓷作为增强相与金属发生共沉积，使复合材料具有优异的力学、摩擦磨损和物理性能等优点，且可被广泛用于航空航天、汽车、电子封装、先进导弹武器和核聚变能源等领域。

目前，陶瓷-金属复合材料的制备方法有很多，如搅拌铸造法、传统的粉末冶金模压法、先驱体浸渍裂解法、注浆成形、压滤成形等。这些方法都存在一定的不足，如传统的粉末冶金模压法，模压形成的成形坯往往密度不均匀且部件的形状复杂程度也受到一定的限制；先驱体浸渍裂解法还存在制备周期长、尺寸精度低等缺点。近年，粉末注射成形法由于具有生产效率高，可规模化制备具有复杂形状的产品，在陶瓷-金属复合材料及其零件的制备中得到极大的关注。

先驱体原位合成法是近年受到很大关注的制备金属基复合材料方法之一。有机硅聚合物是一类比较常见的先驱体，由于有机硅聚合物先驱体在室温或加热条件下，形成粘性液相包覆在金属粉末表面，并使之重新分布，排列紧密，从而使金属粉末表面光滑易流动，同时包覆在颗粒表面的先驱体，在一定温度下转化成纳米级陶瓷均匀分布在金属粉末之间，克服了纳米级陶瓷粉体团聚，难以分散均匀的问题，形成结构均匀的陶瓷-金属复合材料，因此对提高金属基复合材料的性能和可靠性等具有重要作用。同时，通过选择先驱体不同组分和调节热解或烧结条件可得到所需形状和功能的陶瓷-金属复合材料。

20世纪80年代，国防科技大学的冯春祥教授等人用聚碳硅烷作粘结剂制备了具有抗高温氧化性、耐化学腐蚀性和可用作电热元件的碳化硅烧结体，同时也用聚碳硅烷作粘结剂低温烧成高强度碳化硅基复合材料。由此可见有机硅聚合物不仅是陶瓷材料的先驱体，同时也是一种很好的粘结剂。

粉末注射成形法与先驱体原位合成法相结合制备复合材料的相关报道也有不少。在专利CN101037336A中报道了一种制备碳化硅晶须增强碳化硅复合材料零件的方法，如图2，该方法以碳化硅微粉和碳化硅晶须为原料，聚碳硅烷基作为粘结剂，采用粉末注射成形与先驱体原位合成法相结合制得SiC_w/SiC复合材料零件，在这个方法中添加了增强相碳化硅晶须，增塑剂石腊和聚乙烯，表面活性剂硬脂酸等，存在工艺复杂、成本高等不足；在专利CN101885614A中公开了一种粉末注射成形用先驱体水溶性粘结剂及制备方法，其先驱体水溶性粘结剂包含聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚碳硅烷和硬脂酸，采用粉末注射成形以聚碳硅烷原位生成碳化硅作为增强相，所得的粘结剂组分间存在混合不均匀、制备工艺复杂，同时这种粘结剂只能与添加了烧结助剂的Si₃N₄粉末进行复合，制品的密度不高，存在较多的孔隙，所以也存在很大局限性。同时，上述专利报导的内容均未涉及制备金属基复合材料。因此，寻找一种生产效率高、成本低并且制得的产品具有高性能、可设计性强等优点的制备方法，以实现陶瓷-金属复合材料批量化生产极其重要。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，解决现有粉末注射成形法与先驱体原位合成法相结合技术存在成本高、局限性大、混合不均匀等问题。本发明的目的旨在提供一种原位生成均质纳米级陶瓷-金属复合材料的制备方法，以金属粉末和有机硅聚合物粘结剂混合均匀，不添加陶瓷增强相和任何其他粘结剂，避免了脱脂过程，用粉末注射成形制备坯体，在真空或惰性气氛下烧结，先驱体原位合成纳米级陶瓷在金属粉末中分布均匀，克服了纳米级陶瓷粉体团聚，难以分散均匀的问题，得到具有性能优异、可设计性强、低成本、工艺简单、生产效率高等纳米级陶瓷-金属复合材料。

本发明的一种原位生成纳米级陶瓷-金属复合材料的制备方法，采用注射成形与先驱体原位生成相结合方法，优选工艺为：将有机硅聚合物粘结剂与金属粉末按重量比1∶99～1∶2在混料机上于80～110℃温度下混炼1.5～2.5h后成为均匀的喂料；喂料在注射成形机上于140～160℃温度，120～150MPa压力下注射成形，得到所需形状的金属基复合材料成形坯；将所得的坯体在真空或惰性气氛下，在1350～1430℃温度进行烧结，升温速率40～100℃/h，保温2～4h，得到原位生成纳米级陶瓷-金属复合材料。其中所述有机硅聚合物粘结剂也是原位生成纳米级陶瓷的先驱体。