一种BN‑SiC复合颗粒及其制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷复合材料的技术领域，特别涉及一种BN包覆SiC复合颗粒及其制备方法。

背景技术：

铝基复合材料是以铝及铝合金为基体，与颗粒增强体人工合成的复合材料，是具有发展潜力的金属基复合材料之一，具有比强度和比刚度高、高温性能好、更耐疲劳和更耐磨、阻尼性能好和热膨胀系数低等优点。

目前用于铝基复合材料的增强颗粒材料有SiC、Al₂O₃等。SiC陶瓷具有密度低、高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性好、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震、耐化学腐蚀和优异的综合性能等优良特性。然而Al基体和SiC颗粒之间的界面结合不理想，SiC增强体材料与Al熔体的润湿角大于90°，金属液体很难浸入到增强材料之间，就会造成材料内部形成大量空洞缺陷，这极大的限制了SiC_p/Al复合材料的进一步应用和发展。

现有技术中通常通过添加合金元素或者物理化学清洗的方法来提高陶瓷颗粒的润湿性。合金元素包括镁、钙、钛、锆等元素，通过在液态法制备SiC/Al复合材料的过程中加入合金元素来降低铝熔体的表面张力，减少熔体的固液界面能，从而提高陶瓷颗粒的润湿性，但是合金元素的加入容易造成陶瓷颗粒的团聚现象，造成陶瓷颗粒在铝熔体中分布不均；物理化学清洗能除去颗粒表面的氧化膜和污染物，改善陶瓷颗粒与铝熔体的润湿性，但是其效果不佳。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种BN-SiC复合颗粒及其制备方法，在SiC颗粒表面包覆BN镀层，将包覆有BN镀层的SiC复合颗粒应用于铝基复合材料的制备，可以极大的提高SiC颗粒与铝基体的润湿性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种BN-SiC复合颗粒，包括SiC颗粒和包覆在所述SiC颗粒外的BN镀层，所述BN镀层的厚度为0.5～20μm；

优选的SiC颗粒的粒径为0.05～700μm；

优选的BN-SiC复合颗粒的粒径为0.6～720μm；

本发明提供了一种上述方案所述复合颗粒的制备方法，采用磁控溅射法在SiC颗粒表面沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒；

优选的磁控溅射法具体包括以下步骤：

(1)将SiC颗粒装入工装，对真空腔进行抽真空；

(2)向所述抽真空后的真空腔内充入惰性气体；

(3)将SiC颗粒温度加热至300～500℃；

(4)控制超声波振动频率为(0W,350W]，样品台摆动频率为1～150次/分钟，在SiC颗粒表面磁控溅射沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒；

优选的步骤(1)中真空腔抽真空后的真空度为4×10^-4～4×10^-3Pa；

优选的步骤(2)中充入惰性气体至真空腔内气压为0.1～15Pa；

优选的步骤(4)中磁控溅射的功率为100～250W；

优选的步骤(4)中磁控溅射的时间为2～6h；

优选的磁控溅射沉积BN镀层后还包括：将BN-SiC复合颗粒保温20～60min的步骤。

本发明提供了一种BN-SiC复合颗粒，包括SiC颗粒和包覆在所述SiC颗粒外的BN镀层，所述BN镀层的厚度为0.5～20μm。本发明提供的BN-SiC复合颗粒BN镀层均匀，极大的提高了SiC颗粒与铝基体的润湿性，为SiC_p/Al复合材料的进一步应用和发展提供了基础。实验结果表明，BN包覆后的SiC颗粒与Al液的润湿角由未包覆前的105°减小到25～70°，润湿性显著提高。

本发明提供了一种BN-SiC复合颗粒的制备方法，采用磁控溅射法在SiC颗粒表面沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒。本申请提供的制备方法操作步骤简单，得到的BN镀层厚度均匀，致密性好，容易实现工业化生产。

附图说明

图1为未包覆BN镀层的SiC颗粒与铝液的润湿角图，润湿角θ＝105°；

图2为实施例1制备的SiC-BN复合颗粒与铝液的润湿角图，润湿角θ＝29°。

具体实施方式

本发明提供了一种BN-SiC复合颗粒，包括SiC颗粒和包覆在所述SiC颗粒外的BN镀层，所述BN镀层的厚度为0.5～20μm。

本发明提供的BN-SiC复合颗粒包括包括SiC颗粒。在本发明中，所述SiC颗粒的粒径优选为0.05～700μm，更优选为1～500μm，最优选为100～400μm。

本发明提供的BN-SiC复合颗粒包括包覆在所述SiC颗粒表面的BN镀层，所述BN镀层的厚度为0.5～20μm。在本发明中，所述BN镀层的厚度优选为1～15μm，更优选为5～12μm，最优选为6～10μm。

在本发明中，所述BN-SiC复合颗粒的粒径优选为0.6～720μm，更优选为10～650μm，最优选为100～500μm。

本发明通过在SiC颗粒表面包覆BN镀层提高SiC颗粒与铝基体的润湿性，在制备SiC颗粒增强铝基复合材料时，SiC颗粒表面包覆的BN镀层与空气中的O₂反应生成B₂O₃，B₂O₃更容易与熔体中的Al、Mg发生反应，生成可以提高铝基复合材料润湿性的MgAl₂O₄，从而提高SiC颗粒增强体和铝基体的润湿性，使二者能够获得良好的界面结合。

本发明提供了一种上述方案所述复合颗粒的制备方法，采用磁控溅射法在SiC颗粒表面沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒。在本发明中，所述磁控溅射法优选为射频磁控溅射法。

在本发明中，所述磁控溅射法优选具体包括以下步骤：

(1)将SiC颗粒装入工装，对真空腔进行抽真空；

(2)向所述抽真空后的真空腔内充入惰性气体；

(3)将SiC颗粒温度加热至300～500℃；

(4)控制超声波振动频率为(0W,350W]，样品台摆动频率为1～150次/分钟，在SiC颗粒表面磁控溅射沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒。

本发明将SiC颗粒装入工装，对真空腔进行抽真空。在本发明中，所述抽真空后真空腔内的真空度优选为4×10^-4～4×10^-3Pa，更优选为1×10^-3～3×10^-3Pa，更优选为1.5×10^-3～2.5×10^-3Pa。

抽真空后，本发明向所述抽真空后的真空腔内充入惰性气体。在本发明中，所述惰性气体优选为氩气Ar，氪气Kr，氙气Xe，氖气Ne和氮气N₂中的一种，更优选为氩气Ar，氪气Kr和氙气Xe中的一种，最优选为氩气Ar。

本发明优选充入惰性气体至真空腔内气压为0.1～15Pa，更优选为5～10Pa。

充入惰性气体后，本发明将SiC颗粒加热至300～500℃。在本发明中，所述碳化硅颗粒的加热温度优选为350～450℃，更优选为360～400℃。本发明通过对作为基体的SiC颗粒进行加热促进薄膜和基体原子的相互扩散，促进BN镀层和SiC颗粒形成扩散附着和化学键附着，提高BN镀层的附着力。

加热至设定温度后，本发明控制超声波振动频率为(0W,350W]，样品台摆动频率为1～150次/分钟，在SiC颗粒表面磁控溅射沉积BN镀层，得到BN-SiC复合颗粒。在本发明中，所述超声波振动频率优选为10～300W，更优选为100～250W，最优选为150～200W；所述样品台摆动频率优选为10～120次/分钟，更优选为50～100次/分钟，最优选为60～80次/分钟。

在本发明中，所述磁控溅射的功率优选为100～250W，更优选为150～230W，最优选为180～220W；所述磁控溅射的时间优选为2～6h，更优选为3～6h，最优选为3.5～5.5h。

在本发明中，所述BN为溅射靶材，BN靶材的尺寸优选为Φ90～110mm×5mm，更优选为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度优选为99.999～99.9999％，BN靶材表面平整，无缩孔和疏松。在磁控溅射过程中，在真空环境下，在电场的作用下，惰性气体发生辉光放电而电离，大量的惰性气体离子在电场中得到加速并轰击BN靶材表面，使BN靶材材料以原子状态脱离靶面飞溅出来，沉积到SiC颗粒表面形成BN薄膜。

本发明通过调整样品台摆动频率和超声波振动频率，使每个SiC颗粒都能够在滚动的同时不断的振动，从而使每个颗粒都有机会暴露其表面，从而得到厚度均匀的BN镀层。

本发明优选使用射频磁控溅射镀膜机在SiC颗粒表面镀BN膜层，镀膜过程优选包括以下步骤：

将SiC颗粒装入工装，采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空；

开启气体流量计，向真空腔内充入惰性气体；

开启样品台加热装置，将衬底SiC颗粒加热至300～500℃；

开启超声波和样品台摆动装置，控制超声波频率为(0W,350W]，样品台的摆动频率为1～150次/分钟；

开启BN靶材，控制射频磁控溅射频率，在SiC颗粒表面进行磁控溅射沉积BN镀层；

所述镀膜后，关闭射频电源，进行保温；

所述保温后，依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

在本发明中，所述真空腔的真空度、真空腔内气压、磁控溅射沉积BN镀层的频率和时间、保温时间与上述方案所述相同，在此不再赘述。

下面结合实施例对本发明提供的BN-SiC复合颗粒及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将尺寸为100μm的SiC颗粒装入设计好的工装；采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空，使本底真空度达到5×10^-4Pa；

打开气体流量计，向真空腔充入Ar至腔内气压达到3Pa；

打开样品台加热装置，使SiC颗粒温度达到400℃；

打开样品台摆动装置，设置摆动频率为50次/分钟；

开启BN靶材，调整其射频电源功率为250W，溅射镀膜2h；其中BN靶材的尺寸为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度为99.9999％；

关闭射频电源，保温20min；

依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

使用台阶仪检测SiC颗粒表面的BN镀层厚度，可得BN膜层厚度约为20μm；

使用润湿角测量仪测量SiC颗粒包覆BN镀层前后与铝液的润湿角，测量结果见图1和图2；根据图1和图2可以看出，未包覆BN镀层之前，SiC颗粒与铝液的润湿角为105°，包覆BN镀层后的SiC-BN复合颗粒与铝液的润湿角为29°，可以看出，包覆BN镀层后的SiC颗粒与铝液的润湿性显著提高。

实施例2

将尺寸为0.5μm的SiC颗粒装入设计好的工装；采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空，使本底真空度达到4×10^-4Pa；

打开气体流量计，向真空腔充入Ar至腔内气压达到0.5Pa；

打开样品台加热装置，使SiC颗粒温度达到300℃；

打开样品台摆动装置，设置摆动频率为150次/分钟；

开启BN靶材，调整其射频电源功率为230W，溅射镀膜4h；其中BN靶材的尺寸为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度为99.9999％；

关闭射频电源，保温60min；

依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

使用台阶仪检测SiC颗粒表面的BN镀层厚度，可得BN膜层厚度约为15μm；

使用润湿角测量仪测量所得样品与铝液的润湿角，可得润湿角为35°。

实施例3

将尺寸为700μm的SiC颗粒装入设计好的工装；采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空，使本底真空度达到4×10^-3Pa；

打开气体流量计，向真空腔充入Ar至腔内气压达到15Pa；

打开样品台加热装置，使SiC颗粒温度达到500℃；

打开样品台摆动装置，设置摆动频率为10次/分钟；

开启BN靶材，调整其射频电源功率为150W，溅射镀膜5h；其中BN靶材的尺寸为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度为99.9999％；

关闭射频电源，保温30min；

依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

使用台阶仪检测SiC颗粒表面的BN镀层厚度，可得BN膜层厚度约为7μm；

使用润湿角测量仪测量所得样品与铝液的润湿角，可得润湿角为50°。

实施例4

将尺寸为50μm的SiC颗粒装入设计好的工装；采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空，使本底真空度达到8×10^-4Pa；

打开气体流量计，向真空腔充入Ar至腔内气压达到5Pa；

打开样品台加热装置，使SiC颗粒温度达到350℃；

打开样品台摆动装置，设置摆动频率为120次/分钟；

开启BN靶材，调整其射频电源功率为100W，溅射镀膜6h；其中BN靶材的尺寸为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度为99.9999％；

关闭射频电源，保温40min；

依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

使用台阶仪检测SiC颗粒表面的BN镀层厚度，可得BN膜层厚度约为5.5μm；

使用润湿角测量仪测量所得样品与铝液的润湿角，可得润湿角为70°。

实施例5

将尺寸为10μm的SiC颗粒装入设计好的工装；采用机械泵及分子泵对真空腔进行抽真空，使本底真空度达到5×10^-4Pa；

打开气体流量计，向真空腔充入Ar至腔内气压达到0.1Pa；

打开样品台加热装置，使SiC颗粒温度达到300℃；

打开样品台摆动装置，设置摆动频率为70次/分钟；

开启BN靶材，调整其射频电源功率为240W，溅射镀膜5.5h；其中BN靶材的尺寸为Φ100mm×5mm，BN靶材的纯度为99.9999％；

关闭射频电源，保温50min；

依次关闭气体流量计、高阀、分子泵、机械泵，打开放气阀，待真空腔和大气压力平衡后，打开真空室，取出样品。

使用台阶仪检测SiC颗粒表面的BN镀层厚度，可得BN膜层厚度约为18μm；

使用润湿角测量仪测量所得样品与铝液的润湿角，可得润湿角为30°。

由以上实施例可知，本发明提供的SiC-BN复合颗粒与铝液的润湿性好，从而在制备SiC颗粒增强铝基复合材料中可以与铝基体达到良好的界面结合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。