一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及一种高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺，属于航天材料技术领域。

背景技术：

B₄C具有良好的物理、化学性能和力学性能，具有近乎恒定的高温硬度、高的弹性模量(450～470GPa)、高耐磨性、抗氧化性、以及良好的中子吸收性能、低的密度(2.52g/cm³)等特点，在航空航天、电子通讯、切割研磨工具、核工业领域发挥着极大的作用。由于B₄C上述优异的综合性能，将其用于强化铝合金基体制备B₄C/Al复合材料时，材料可获得低的密度、高比强度和比刚度、低热膨胀系数、良好的导热性、高尺寸稳定性及耐磨等优异的力学和物理性能，可广泛应用于航空航天、核能等重要领域。

以应用于航天领域用的轻质高强结构功能件为例，需要所用材料具有低密度、高比刚度、高比强度以及良好的热学性能，同时需要材料在空间环境下具良好的稳定性。高体积分数(55～70vol.％)B₄C/Al复合材料具备了上述所有性能要求，使其成为航天领域用结构功能件的最佳候选材料。目前常用于航天轻质高强结构功能件的另一类材料为(55～70vol.％)SiC/Al复合材料，该材料的缺点在于增强相SiC的密度较高(3.2g/cm³)，导致复合材料的密度较高(～3.0g/cm³)，并且SiC与Al基体在制备SiC/Al复合材料过程中，如果工艺控制不当会产生Al₄C₃产物，该物质不仅为脆性相，而且极易水解使得复合材料力学性能变差，材料实际应用稳定性和可靠性不足。而高体积分数(55～70vol.％)B₄C/Al复合材料的密度为～2.6g/cm³，与(55～70vol.％)SiC/Al复合材料相比密度降低明显；此外，B₄C与Al基体在制备过程中不会生成Al₄C₃产物，所制备的B₄C/Al的材料性能较SiC/Al稳定。

目前，用于制备中低体积分数(20～35vol.％)B₄C/Al的制备工艺主要为无压浸渗、压力浸渗、粉末冶金等工艺；但目前用于制备高体分55～70vol.％B₄C/Al复合材料的工艺常采用无压浸渗和压力浸渗等工艺，尚很少见采用粉末冶金工艺来制备55～70vol.％B₄C/Al复合材料的报道。这主要是传统的粉末冶金热压烧结工艺较难实现高体分B₄C/Al复合材料致密化制备，从而导致材料综合性能较低，不能满足航天轻质高强结构功能件的高性能要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，在不过多牺牲材料弹性模量的前提下，可较大程度降低B₄C/Al复合材料的密度和热膨胀系数，提高热导率。

本发明的另一目的在于提供一种所述高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺，采用该制备工艺可获得致密度接近全致密的高体积分数B₄C/Al复合材料，材料综合性能优良。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料，由Al-Cu-Mg-Co合金基体和B₄C与Si的混合增强相组成，按体积百分比计，Al-Cu-Mg-Co合金基体的含量为30-45％，B₄C的含量为55-60％，Si的含量为a，0＜a≤10％；优选地，5％≤a≤10％。

其中，在Al-Cu-Mg-Co合金中，按重量百分比计，各金属成分的含量为Cu3.6％-4.5％、Mg 0.8％-1.5％、Co 0-2％，余量为Al。即，Al-Cu-Mg-Co合金的名义成分(wt.％)为Al-(3.6-4.5)Cu-(0.8-1.5)Mg-(0-2)Co。

一种所述高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

(1)将B₄C进行预氧化处理，Si颗粒进行烘干处理；

(2)采用雾化Al粉、Cu粉、Mg粉与Co粉配置成Al-Cu-Mg-Co合金粉末；

(3)将预处理后的B₄C、Si颗粒与配置好的Al合金粉末按比例装入球磨机进行混粉；

(4)将球磨混合后的粉末进行冷等静压成型为坯锭，将坯锭装入真空除气用包套进行真空除气，然后对真空除气后的坯锭进行热等静压成型。

在步骤(1)中，B₄C的粒径为5-20μm，B₄C的纯度高于95％；预氧化在空气气氛中进行，温度为300-450℃，保温时间为24-48h。

在步骤(2)中，Al粉的粒径为5-30μm，Cu粉的粒径为5-20μm，Mg粉的粒径为25-50μm，Co粉的粒径为1-4μm。

在步骤(3)中，粉末在转动式球磨机中混合，球磨机转速为40-150转/分钟，球磨时间为10-40h，球料比为2∶1。

在步骤(4)中，冷等静压的压力为80-180MPa，保压时间为10-30min。所述真空除气用包套为纯Al包套，坯锭除气结束时真空度小于1×10^-2Pa。热等静 压的温度为550-580℃，压力为90-130MPa，保压时间为1-3h。

本发明的优点在于：

与传统单一B₄C增强铝基复合材料相比，本发明的高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料热膨胀系数和密度更低，热导率和弯曲强度更高，更适合用于航天精密器件用结构功能材料。本发明的铝基复合材料的密度为2.55～2.60g/cm³，抗弯强度为450～530MPa，弹性模量为180～220GPa，热膨胀系数为7.6～9.5×10^-6K^-1，热导率为70～100W/m·K；具有低密度、高弹性模量、高强度、低热膨胀系数、高热导率等综合性能，能够满足航天轻质高强结构功能件的性能要求，可以作为航天相机反射镜镜坯材料。

与无压浸渗和压力浸渗工艺相比，本发明采用粉末冶金工艺制备复合材料不需要制备复杂的B₄C预制件骨架及进行粘结剂脱除工序(粘结剂脱除对环境会造成一定污染)，制备过程更加简单、环保。此外，浸渗工艺的浸渗温度高达1000℃以上，对设备要求高，而本发明采用粉末冶金工艺制备高体积分B₄C增强铝基复合材料时烧结温度低于600℃，对设备要求较低，能耗也更低。

附图说明

图1为本发明高体积分数B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料的制备工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

在本发明的铝基复合材料中，以高体积分数B₄C与Si硅颗粒混合作为增强相。其中，Si颗粒的密度为2.33g/cm³，热膨胀系数为2.6×10^-6K^-1，热导率为156W/m·K，弹性模量为130～190GPa；而B₄C的密度为2.52g/cm³，热膨胀系数为4.5×10^-6K^-1，热导率为40W/m.K，弹性模量为450～470GPa。对比性能数据可知，除弹性模量低于B₄C外，Si颗粒的其他性能相比B₄C具有更大的性能优势。因此，本发明在高体分B₄C/Al复合材料中添加少量的Si颗粒，在不过多牺牲材料弹性模量的前提下，可较大程度降低B₄C/Al复合材料的密度和热膨胀系数，提高热导率，从而获得具有更佳综合性能的复合材料，使其更适合用于航天轻质高强结构功能件材料。

如图1所示，本发明的铝基复合材料的制备工艺为：先将B₄C进行预氧化处理，Si颗粒进行表面烘干处理，然后将预处理后的B₄C粉与Si粉、Al粉、Cu粉、Mg粉、Co粉进行球磨混粉→冷等静压成型→真空除气→热等静压烧结， 最后得到B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料。

实施例1

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B₄C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B₄C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.58g/cm³，热膨胀系数8.8×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率90W/m·K，弯曲强度510MPa，弹性模量195GPa。

为进行对比，采用相同的工艺制备了60％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.60g/cm³，热膨胀系数9.5×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率80W/m·K，弯曲强度470MPa，弹性模量197GPa。对比数据得出，(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的密度较60％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co减小，同时热膨胀系数降低了0.7×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率提高了10W/m.K，弯曲强度提高40MPa，弹性模量稍有降低(2GPa)。结果表明B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B₄C增强的铝基复合材料。

实施例2

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为10vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为35vol.％。上述B₄C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B₄C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、10vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真 空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(55％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.56g/cm³，热膨胀系数8.2×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率85W/m·K，弹性模量200GPa，弯曲强度500MPa。

为进行对比，采用相同的工艺制备了65％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.58g/cm³，热膨胀系数9.0×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率70W/mK，弯曲强度450MPa，弹性模量203GPa。对比数据得出，(55％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co密度较65％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co减小，同时热膨胀系数降低了0.8×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率提高了15W/m·K，弯曲强度提高50MPa，弹性模量稍有降低(3GPa)。结果表明B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B₄C增强的铝基复合材料。

实施例3

复合材料的体积分数为：B₄C含量为60vol.％，Si含量为10vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为30vol.％。上述B₄C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、10vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-1.0混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力120MPa，压制时间20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力110MPa，保压时间2h，获得(60％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(60％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.55g/cm³，热膨胀系数7.6×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率76W/m.K，弹性模量210GPa，弯曲强度440MPa。

为进行对比，采用相同的工艺制备了70％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料，所得材料密度为2.56g/cm³，热膨胀系数8.1×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率66W/mK，弯曲强度380MPa，弹性模量212GPa。对比数据得出，(60％B₄C+10％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co密度较70％B₄C/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co 减小，同时热膨胀系数降低了0.5×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率提高了10W/m·K，弯曲强度提高60MPa，弹性模量稍有降低(2GPa)。结果表明B₄C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料综合性能优于单一B₄C增强的铝基复合材料。

实施例4

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B₄C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm，Co粉粒径3μm。首先对B4C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.57g/cm³，热膨胀系数8.6×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率85W/m·K，弯曲强度505MPa，弹性模量193GPa。

实施例5

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg基体含量为40vol.％。上述B₄C粒径为11μm，Al粉粒径20μm、Cu粉粒径10μm、Mg粉粒径25μm。首先对B₄C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg的粉末，然后将55vol.％B₄C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg复合材料坯锭。所得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg复合材料的密度为2.56g/cm³，热膨胀系数8.6×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率80W/m·K，弯曲强度495MPa，弹性模量191GPa。

实施例6

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B₄C粒径为20μm，Al粉粒径30μm、Cu粉粒径20μm、Mg粉粒径30μm，Co粉粒径1μm。首先对B₄C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、5vol.％Si与40vol.％Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料坯锭。所得(55％B₄C+5％Si)/Al-3.5Cu-1.0Mg-0.5Co复合材料的密度为2.57g/cm³，热膨胀系数8.6×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率87W/m·K，弯曲强度500MPa，弹性模量195GPa。

实施例7

复合材料的体积分数为：B₄C含量为55vol.％，Si含量为5vol.％，Al-Cu-Mg-Co基体含量为40vol.％。上述B₄C粒径为20μm，Al粉粒径30μm、Cu粉粒径20μm、Mg粉粒径30μm，Co粉粒径1μm。首先对B₄C与Si颗粒分别进行预氧化与烘干处理，配置名义成分为Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co的粉末，然后将55vol.％B₄C、5vol.％Si与40vol.％Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速100转/分钟，球磨时间20h，球料比2∶1；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套，密封后进行冷等静压成型，冷等静压压力100MPa，压制时间15min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于1×10^-2Pa；将真空除气后的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间3h，获得(55％B₄C+5％Si)/Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co复合材料坯锭。所得(55％B₄C+5％Si)/Al-4.0Cu-1.5Mg-1.0Co复合材料的密度为2.58g/cm³，热膨胀系数8.4×10^-6K^-1(25～100℃)，热导率89W/m·K，弯曲强度530MPa，弹性模量196GPa。