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一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料及其制备方法.pdf

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一种 打印 碳纤维 碳化硅 复合材料 及其 制备 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910038868

申请日:

20190116

公开号:

CN109627028A

公开日:

20190416

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: C04B35/80;C04B35/565;C04B38/00;C04B41/88;B33Y10/00 主分类号: C04B35/80;C04B35/565;C04B38/00;C04B41/88;B33Y10/00
申请人: 苏州宏久航空防热材料科技有限公司
发明人: 廖家豪;其他发明人请求不公开姓名
地址: 215400 江苏省苏州市太仓市城厢镇人民南路162号
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910038868

授权公告号:

法律状态公告日:

20190416

法律状态类型:

公开

摘要

本发明公开了一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料,由碳化硅颗粒、铝合金基体和镀镍短切碳纤维组成,其中碳化硅颗粒体积分数为50~80%,铝合金基体体积分数为10~49%,短切碳纤维体积分数为1~10%;所述的碳化硅颗粒粒径为5~40μm;所述的镀镍短切碳纤维长度为0.1~1mm,镀镍层厚度为0.5~3μm。此3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料通过3D打印技术制备碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体,经过干燥?烧结后,得到碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体,最后通过真空气压浸渗铝合金制得。本发明不仅解决了传统铝基复合材料制备方法制备周期长、制品尺寸受限、工序复杂等问题,还有效对3D打印制备的铝基复合材料进行了增韧补强,显著提高了其结构稳定性和性能可靠性。

权利要求书

1.一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料,由碳化硅颗粒、铝合金基体和镀镍短切碳纤维组成,其中碳化硅颗粒体积分数为50~80%,铝合金基体体积分数为10~49%,短切碳纤维体积分数为1~10%;所述的碳化硅颗粒粒径为5~40μm;所述的镀镍短切碳纤维长度为0.1~1mm,镀镍层厚度为0.5~3μm;一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料的制备方法,其特征在于包括下述顺序的步骤: (1)配制3D打印用陶?#19978;?#39537;体,将碳化硅颗粒、镀镍短切碳纤维、粘结剂、烧结助剂和无水乙醇混合并超声磁力搅拌均匀,得到3D打印用陶?#19978;?#39537;体; (2)将制备好的3D打印用陶?#19978;?#39537;体装入3D打印机的料?#31181;校?#37319;用喷嘴?#36153;?#25104;型3D打印技术制备碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体; (3)将制备好的碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体放入烘箱中烘干,再放入高温烧结炉中进行高温烧结,烧结气氛为真空或者氩气,得到碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体; (4)将制备好的碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体表面进行数控机加工,用无水乙醇超声清洗后烘干,然后放入石墨模具中进行工装; (5)将步骤(4)中的工装放入真空气压浸渗炉中,抽真空至0.1~50Pa,升温至500~800℃,将熔融的铝合金浇注到工装内,加注气压至0.5~5.0MPa,完成铝合金的真空压力浸渗,得到制备好的3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料。

说明书


一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料及其制备方法
技术领域


本发明涉及一种碳化硅陶铝复合材料及其制备方法,特别涉及一种3D打印碳纤维
增韧碳化硅陶铝复合材料及其制备方法。


背景技术


颗粒增强铝基复合材料因具有比模量大、比强度高、热膨胀系数低、高导热、导电、
耐磨以及耐疲劳性能好等特点,近年来已经?#36824;?#27867;应用于航空航天、高铁、精密仪器、电子
封装等领域。颗粒增强铝基复合材料的性能很大程度上取决于其制备工艺和方法,目前铝
基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、熔融体浸渗法等,但是这些方法制
备的铝基复合材料存在致密度不高、内部缺陷较多、材料组织成分不均匀、制备周期长、尺
寸形状受限?#28909;?#28857;,从而限制了铝基复合材料的应用范围和深度。


3D打印技术又称增材制造技术,是一种结合计算机、材料、机械等多领域?#21335;?#32479;
性、综合性的技术,3D打印技术与传统的制造技术相比,具有如下特点:①节约原材料,能够
实现“近净成形?#20445;虎誚档?#35774;备成本;③可以制造形状复?#21360;?#38590;加工材料;④设计生产空间灵
活可控;⑤缩短了生产时间;⑥可以用于零件修复;⑦ 可以结合铸造技术,进行复合成形,
即在铸件上直接打印难铸造结构或零部件,因此,可采用增材制造技术制?#22797;?#32479;工艺方法
难以加工的构件。


申请公布号为CN108129168A的中国发明专利公开了一种基于3D打印的铝基复合
材料的制备方法及铝基复合材料。此铝基复合材料通过3D打印制备陶瓷多孔体毛坯、陶瓷
多孔体毛坯的固化与烧结以及压力浸渗制备铝基复合材料制得;首先,采用3D打印技术成
形铝基复合材料用陶瓷多孔体毛坯;然后,将其在二氧化碳气氛或空气气氛中固化;继而,
在空气炉中进行一体化的脱脂-烧结处理,制得铝基复合材料用陶瓷多孔体;最后,采用压
力浸渗法制备铝基复合材料。此方法可解决现有粉末冶金法工艺流程长、工序复?#21360;?#25104;本高
和制品尺寸受限等问题。


申请公布号为CN107586136A的中国发明专利公开了一种3D打印氮化硅陶瓷的方
法,该发明采用3D打印技术,不仅可以制备复?#26377;?#29366;的氮化硅陶瓷零件,并且利用打印过程
中的双层刮刀成型技术,可使β相氮化硅取向排布,经脱脂-烧结后,可获得具有复?#26377;?#29366;的
织构化氮化硅陶瓷。所制备的氮化硅零件具有优异的可靠性、力学性能、热学性能、耐磨性
等。


申请公布号为CN108504888A的中国发明专利公开了一种陶瓷复合球增强金属基
复合材料的制备方法,属于金属基复合材料领域。将金属粉、水玻璃、聚乳酸、?#36153;?#26641;脂、水
配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为60%~75%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打
印机打印出单层基体板,所述单层基体板的上下表面均设有半球孔或者只有一个表面设有
半球孔,单层基体板的厚度为6~15mm,半球孔的?#26412;?~5mm,球间距3~5mm;在单层基体板的
半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将多个单层基体板叠加,进行热压烧结后得到陶瓷复合
球增强的金属基复合材料。


综?#32420;?#36848;,3D打印技术在陶瓷材料和金属基复合材料的制备领域应用越来越广
泛,但是3D打印技术依然没有有效解决陶瓷材料的韧性差的问题。


发明内容


为解决上述问题,本发明提出一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料及其制
备方法,既充分发挥了3D打印技术在铝基复合材料制备方面的优?#30130;?#21448;改善了3D打印铝基
复合材料的韧性,使其性能可靠性显著提高。


一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料,由碳化硅颗粒、铝合金基体和镀镍
短切碳纤维组成,其中碳化硅颗粒体积分数为50~80%,铝合金基体体积分数为10~49%,短切
碳纤维体积分数为1~10%;所述的碳化硅颗粒粒径为5~40μm;所述的镀镍短切碳纤维长度为
0.1~1mm,镀镍层厚度为0.5~3μm;一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料的制备方法,
其特征在于包括下述顺序的步骤:


(1)配制3D打印用陶?#19978;?#39537;体,将碳化硅颗粒、镀镍短切碳纤维、粘结剂、烧结助剂和无
水乙醇混合并超声磁力搅拌均匀,得到3D打印用陶?#19978;?#39537;体;


(2)将制备好的3D打印用陶?#19978;?#39537;体装入3D打印机的料?#31181;校?#37319;用喷嘴?#36153;?#25104;型3D打
印技术制备碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体;


(3)将制备好的碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体放入烘箱中烘干,再放入高温烧结
炉中进行高温烧结,烧结气氛为真空或者氩气,得到碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体;


(4)将制备好的碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体表面进行数控机加工,用无水乙醇超声
清洗后烘干,然后放入石墨模具中进行工装;


(5)将步骤(4)中的工装放入真空气压浸渗炉中,抽真空至0.1~50Pa,升温至500~800
℃,将熔融的铝合金浇注到工装内,加注气压至0.5~5.0MPa,完成铝合金的真空压力浸渗,
得到制备好的3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料。


本发明有益效果:(1)采用3D打印技术制备陶瓷多孔预制体,解决了传统制备方法
工艺流程长、工序复?#21360;?#25104;本高等问题,有效缩短了陶瓷多孔预制体的制备周期;(2)采用镀
镍短切碳纤维对碳化硅陶瓷多孔预制体进行增韧补强,有效提高了预制体的强度和结构稳
定性,同时碳纤维镀镍可以避免碳纤维与铝合金反应,在增加铝合金的浸润性的同时保护
碳纤维;(3)采用真空气压浸渗铝合金,可以有效排除多孔陶瓷体内的气体,避免在材料内
部形成孔?#24230;?#38519;,有效提高铝基复合材料的综合性能。


附图说明


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。


图1是本发明的实施例中制得的3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料的弯曲强
度应力-位移曲线图;


图2是本发明的实施例中制得的3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料的断裂韧性
力-位移曲线图。


具体实施方式


下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明
而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价
?#38382;?#30340;修改均落于本申请所附权利要求所限定。


实施例


一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料,由碳化硅颗粒、铝合金基体和镀镍
短切碳纤维组成,其中碳化硅颗粒体积分数为70%,铝合金基体体积分数为25%,短切碳纤维
体积分数为5%;所述的碳化硅颗粒粒径为20μm;所述的镀镍短切碳纤维长度为0.3mm,镀镍
层厚度为1.0μm;一种3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料的制备方法,其特征在于包括
下述顺序的步骤:


(1)配制3D打印用陶?#19978;?#39537;体,将碳化硅颗粒、镀镍短切碳纤维、粘结剂、烧结助剂和无
水乙醇混合并超声磁力搅拌均匀,得到3D打印用陶?#19978;?#39537;体;


(2)将制备好的3D打印用陶?#19978;?#39537;体装入3D打印机的料?#31181;校?#37319;用喷嘴?#36153;?#25104;型3D打
印技术制备碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体;


(3)将制备好的碳纤维增韧碳化硅陶瓷多孔预制体放入烘箱中烘干,再放入高温烧结
炉中进行高温烧结,烧结气氛为真空或者氩气,得到碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体;


(4)将制备好的碳纤维增韧碳化硅多孔陶瓷体表面进行数控机加工,用无水乙醇超声
清洗后烘干,然后放入石墨模具中进行工装;


(5)将步骤(4)中的工装放入真空气压浸渗炉中,抽真空至1Pa,升温至600℃,将熔融的
铝合金浇注到工装内,加注气压至2.0MPa,完成铝合金的真空压力浸渗,得到制备好的3D打
印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料。


采用本实施例的制备方法制成的3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合材料弯曲强
度达到460MPa左右,断裂韧?#28304;?#21040;12.7MPa·m
1/2左右;图1中展示了3D打印碳纤维增韧碳化
硅陶铝复合材料弯曲强度应力-位移曲线,图2中展示了3D打印碳纤维增韧碳化硅陶铝复合
材料断裂韧性力-位移曲线。


上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此
构思对本发明进行非实?#24066;?#30340;改动,均应属于?#22336;?#26412;发明保护的范围的行为。但凡是未脱
离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实?#35782;?#20197;上实施例所作的任何?#38382;?#30340;简单修
改、?#38887;?#21464;化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。


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