[发明专利]一种三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料及其无压浸渗制备方法

说明书

一种三维连续网络结构钛铝碳/铝基复合材料及其无压浸渗制备方法。该材料中Ti₃AlC₂的体积含量为20～80vol％，其余为Al基合金。该材料的显微结构为陶瓷相Ti₃AlC₂与金属相Al基合金各自呈三维空间连续分布，在空间呈网络交叉结构，二者界面结合牢固。该材料的制备方法：将不同孔隙率的Ti₃AlC₂预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在真空下，以10～30℃/min升温至750～1100℃。在保温开始30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5～1Bar，保温时间为30～120min，以10～30℃/min冷却到室温，得到三维连续网络结构Ti₃AlC₂/Al基复合材料；该材料具有轻量化、高强度、高耐磨等显著特点，可广泛用于汽车、交通运输、航天、军工、机械制造等领域的零件制造。

技术领域

本发明涉及一种三维连续网络结构Ti₃AlC₂/Al基复合材料及其无压浸渗制备方法。

背景技术

铝基复合材料的研究开始于上世纪50年代。近20年来，从理论上、技术上都取得了较大成就。当前铝基复合材料的研究主要集中在两个方面:(1)采用连续纤维增强的具有优异性能的复合材料，应用范围集中在航天航空、军事领域；(2)采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，应用于汽车制造业。我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工作，包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积、原位生成等方面的研究，取得了进展, 正走向实用。目前开发的铝基复合材料主要有B/Al，BC/Al，SiC/Al，A1₂O₃/Al，SiC_P/Al，添加的纤维分为颗粒、晶须、短晶须和长纤维，但这些陶瓷加入易造成铝及其合金的强度、耐磨性等机械性能与其导电导热性难以兼顾的矛盾，极大限制了其在航天、航空、微电子等高技术领域的应用。

Ti₃AlC₂是一种新型的三元碳化物导电陶瓷，兼具陶瓷和金属的特性。其多晶块体材料的维氏硬度为3.5GPa、杨氏模量为297GPa、室温压缩强度为540～580MPa、室温弯曲强度为 360～390MPa、室温电阻率为0.35μΩ.m，经1100℃淬火后强度不降低，可机加工(参考文献： N.V.Tzenov和M.W.Barsoum，J.Am.Ceram.Soc.,2000,83[4]:825)。此外，其多晶块体材料具有优异的摩擦学性能：在0.8MPa压强和60m/s滑动速度下，对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率约为2.5*10^-6mm³/Nm(参考文献：H-X Zhai，et.al,J.Am.Ceram.Soc.,2005，88[11]： 3270)。因此，将其作为增强相来增强Al基复合材料，可以得到具有高强度、高耐磨、良好导热性能的Ti₃AlC₂/Al基复合材料。但是，目前为止还没有利用这种新型陶瓷来增强Al基复合材料的报道。

三维连续网络结构金属陶瓷材料，是20世纪80年代发展起来的陶瓷/金属复合材料的一种结构形式，即陶瓷相与金属相均为三维空间连续，在空间呈网络交叉结构。这种结构使其具有颗粒或纤维增强复合材料没有的特点：相对于纤维增强材料，其在整体结构上具有各向同性的特点、相对于颗粒或晶须增强材料，它具有相互连续的特点。三维连续网络结构 Ti₃AlC₂/Al基复合材料可以使Ti₃AlC₂陶瓷和Al基合金均为连续分布，陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧，金属相由于陶瓷骨架的刚性承载作用而得到增强，两者相互依托，相互补强，互为支撑骨架，与传统的颗粒增强、纤维增强和晶须增强复合材料相比，具有更为独特的力学性能、抗摩擦磨损性能、减振性能和热学性能，而且具备性能的各向同性，在汽车工业、交通运输、航空航天、机械制造等工业领域展示了广泛的应用前景。

发明内容