[发明专利]一种基于I-WP曲面的铜碳化硅复合材料的制备方法

说明书

本发明公开一种基于I‑WP曲面的Cu/SiC复合材料的制备方法，是一种金属相Cu和陶瓷相SiC以三周期极小曲面I‑WP结构为基础，在三维空间网络结构连续并且互相缠绕在一起的三维网络结构复合材料。I‑WP曲面结构能有效避免应力集中，增加复合材料的力学性能，Cu/SiC复合材料既具有金属的塑形、导电导热性，又具备陶瓷的高硬度、高耐磨性及化学稳定性等特点。所述制备方法具体是设计并3D打印I‑WP曲面的结构；多孔SiC陶瓷预制体的制备；金属Cu的浸渗。本发明可以通过改变I‑WP曲面结构的打印参数，控制金属和陶瓷的含量，使制备的Cu/SiC复合材料更适合工业的需要。

技术领域

本发明涉及一种Cu/SiC复合材料的制备方法，具体的涉及一种基于I-WP曲面的Cu/SiC复合材料及其制备方法

背景技术

铜的导电导热性能较好，但硬度耐磨性较差；而碳化硅陶瓷硬度相当高，仅次于几种超硬材料，且具有较好的机械性能，但碳化硅陶瓷脆性较大。SiC陶瓷材料弹性模量高、抗氧化性能好、高温强度大等优越性能，是用于强化电接触基体材料的最理想原料之一。因此将金属铜和碳化硅陶瓷复合起来制成复合材料能充分发挥两种材料的性能优点，弥补各自的不足，使Cu/SiC复合材料成为一种综合性能更为优良的新型导电耐磨复合材料。常用的制备方法主要包括：内氧化法、粉末冶金法、机械合金化法、搅拌铸造法，但是这些传统制备方法不能形成规则的三维联通结构，为了保证导电性能，需要大量加入Cu形成三维网络导电结构，但是过多的铜会使强度和耐磨性下降，易产生裂纹，坍塌等缺陷。

发明内容

本发明提供一种基于I-WP曲面的Cu/SiC复合材料的制备方法，这种三周期极小曲面结构除了能保证力学性能外，而且还具备光滑连续、连通性良好、三维贯通的金属Cu结构，保证导电导热等性能。通过该方法可以对金属铜的结构、分布及含量的任意调整，便于获取特定工况下的最佳金属Cu含量，以及具有特定要求的结构，可以制备力学性能和导电性能好的Cu/SiC复合材料。其中，该制备方法包含以下几个步骤：

(1)PLA骨架的制备：利用熔融沉积式3D打印机打印所设计的PLA材料的I-WP曲面结构，分层厚度0.1～0.2mm，打印速度60mm/s，周期参数1～4，曲面厚度0.5～2mm；

(2)陶瓷粉体的制备：将SiC粉，滑石粉，Al₂O₃粉和Y₂O₃粉、纤维素按质量比88.5～91.5：3.6～5.5：0.9～2.2：0.5～1.5：1.5～3.0比例称量混合(所述的陶瓷浆料中SiC粉，滑石粉，Al₂O₃粉和Y₂O₃粉、纤维素优选质量比为90.5：4.0：1.5：1.0：3.0)，球磨4h后，过筛得到颗粒粒度≤1μm的陶瓷粉体；

(3)陶瓷浆料的制备：将步骤(2)所述的陶瓷粉体倒入无水乙醇中，粉末与无水乙醇的质量比2：0.8-1.2，用氨水调节pH至9～11。置于滚筒式球磨机中混料2-4h，回转速度250～300r/min，使各种物料混合均匀，成泥浆状，再陈腐1-2d后得到碳化硅陶瓷浆料；

(4)陶瓷胚体的制备：将步骤(1)所述的PLA结构放置于铸造模具内，再将得到的碳化硅陶瓷浆料加入催化剂和引发剂，按陶瓷浆料、催化剂四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵的质量比为100：1.0～1.5：0.5～1.0的比例添加，快速搅拌后注入模具使浆料固化，将固化浆料放在真空干燥箱中进行冷冻干燥，温度为-140～-120℃，预冻2～3h，待完全结晶后抽真空，然后在-5～0℃，真空度10～20Pa下冷冻干燥24h，即可得到基于I-WP曲面的PLA/碳化硅陶瓷材料胚体；