用金属基质生产含有限量增强剂的复合材料的方法

里拿多·格里罗, 伊拉里奥·唐里尼

1990年5月30日

1989年11月11日

1988年11月11日

诺瓦·萨米姆公司

C04B41/51GK1042502SQ89108498

限量 基质 含有 金属 增强 生产

1.用选自Pb，Zn，Al，Mg，Cu，Sn，In，Ag，Au或其合金的金属基质生产增强剂含量低于其最低理论压紧值的复合材料的方法以渗透工艺为基础，其中基本上包括将增强材料加入铸型中，然后让熔融态金属基质渗滤进入同一铸型，并让金属基质冷却直至固化，其特征是增强剂由非金属粉构成，在加入铸型前与不同压紧度的选自金属纤维和/或陶瓷纤维和/或陶瓷针状单晶和/或组成同上基质的金属粉的稀释剂混合2.权利要求1的方法，其中陶瓷纤维选自Al2O3，SiC，C，BN，SiO2或玻璃3.权利要求1的方法，其中陶瓷针状单晶选自SiC，Si3N4，B4C和Al2O34.权利要求1的方法，其中非金属粉选自SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2，Al2O3，玻璃或石墨5.权利要求1的方法，其中金属纤维选自Be，W，SiC涂层W，B4C涂层W，钢6.权利要求1的方法，其中增强剂和稀释剂的共混方式可保证得到后续送入铸型的生料预铸品

本发明涉及以金属基质为基础并含有限量增强剂的复合材料的方法复合材料为两种或多种材料以不同相存在的组合物，适于形成预定结构，从而达到比各成分更有利的特性与均相材料的特性相比，复合材料的特性，如其物理性能和机械性能等均得以改进复合材料由某一相(如金属相)包围和粘着其它相(如陶瓷纤维或粉)而构成在呈现特性结构的金属基质复合材料情况下，基质和增强相的作用如下增强剂的强度和硬度值高，而基质要将所接受的应力传统增强剂;基质具有良好的固有特性(物理特性和化学特性等)，而增强剂可赋予复合材料特别良好的机械性能复合材料的某些特性要可精确计算，其中要预定各成分体积百分比和其特性;其它特性可按初略模型计算;而有些特性则难于预料，如断裂强度，尽管易于测定，但总是难于预先估计复合材料为各向异性的;如用长纤维增强的复合材料的强度在平行于纤维的方向就要比其横向高得多;因此设计者会考虑到这一事实，从而保证在要求方向上达到高强度一旦用增强剂来改进给定基质的机械性能，则基质就应赋予了良好的先决条件，如高机械强度和弹性模量值这些增强材料为长纤维或短纤维长丝形式，或粉状;如针状单晶就呈单晶长丝形态，直径数微米，长数百微米，其机械性能高;可用其制成高性能复合材料不幸的是，到目前为止其费用仍很昂贵其中以碳化硅的抗拉强度和弹性模量最高增强剂一般分为金属纤维W，W+SiC，W+B4C，Be，钢;长或短陶瓷纤维Al2O3，SiC，C，BN，SiO2，玻璃;陶瓷针状单晶SiC，Si3N4，B4C，Al2O3;粉SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2，Al2O3，玻璃，石墨至于基质，可以认为有许多材料可构成基质金属和陶瓷材料可制成在中-高温条件下操作的复合材料;而在相对低温下，还可有利地采用大量的热固性和热塑性树脂与树脂相比，金属在重量方面有些不足，但无论如何可因其高温机械性能值以及有时有效的导电和导热率而得到补偿在增强剂的应用领域拓宽的情况下，所用特定基质的经济利益就会提高现有技术中已知的制法取决于所用金属基质的类型;无论如何，这里仅限于最易于扩散的基质，如Al或其合金，我们详述如下增强剂分散体制法该法是将短纤维或针状单晶或增强颗粒加入熔触态金属浴中，其中进行强烈搅拌并在惰性气封条件下进行然后进行铸造和挤出操作一般还对增强剂进行预处理以保证其在金属中的可湿性增强剂在部分固态基质上的分散体制法该法是将增强剂搅拌分散进入半固态金属基质中半固态金属基质制法是将合金从熔触态冷却下来的过程中进行剪应力作用，从而使其即使在其固体物质含量超过50%时也呈半固态然后铸造该半固态复合材料粉末冶金法该法是将基质材料和增强材料的粉状共混进行冷态紧压后再进行热压制成晶然后进行机械加工，层压或挤出如果采用基质娄粉末悬浮液预浸渍纤维生料预模制晶的合适体系，还可制得含增强纤维的复合材料纤维金属化法该法是用金属经熔触金属溶，或等离体喷涂法或电解法预涂纤维为获得复合材料，然后在足够高温下将纤维热压以使金属充满所有孔隙层压法该法是用片状基质层交替插入纤维层然后进行真空热压以使金属流过纤维，这可使纤维均匀分布在最终获得的复合材料中渗滤法该法是在高压(10-30Mpa)下使Al的熔融合金流过生料预成形制品，或模中所含适宜形式的粉和纤维渗滤之后合金固化时间应尽可能地减少基质和增强剂之间的化学反应现象如果给定增强粉的最低压紧值本身已很高(约50%V)，出现的问题是要能够通过渗滤中获得含粉百分比低于上述值的复合材料并且要能够保证预定和可再现含量本申请人现已发现克服了已知渗滤法的缺点的渗滤法本发明用金属基质生产增强剂含量低于其最低理论压紧值的复合材料的方法以渗滤工艺为基础，其中基本上包括将增强材料加入铸型中，然后让熔融态金属基质渗滤进入同一铸型，并让金属基质冷却直至固化，其特征是增强剂在加入铸型前与不同压紧度的稀释剂混合所说复合材料中的金属基质选自Pb，Zn，Al，Mg，Cu，Sn，In，Ag，.Au或其合金增强剂由非金属粉构成稀释剂选自金属纤维和/或陶瓷纤维和/或陶瓷针状单晶和/或组成同于基质的金属粉陶瓷纤维，可采用Al2O3，SiC，C，BN，SiO2，玻璃;作为陶瓷针状单晶，可采用SiC，Si3N4，B4C，Al2O3;作为非金属粉，可采用SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2，Al2O3，玻璃，石墨;作为金属纤维，可采用Be，W，SiC涂层W，B4C涂层W，钢增强剂和稀释剂的共混应保证得到后续送入铸型的生料预铸品所谓“生料预铸品”意指该制品具有适宜预定形状的孔结构，如片，棒，盘，环，管，弯管等并后续送入铸型以完全或部分使金属铸造品增强以下详述本发明非限制性实例实例1-5将多相增强剂共混并后续送入铸型中，然后用熔融金属基质渗滤，固化后即可得复合材料，其中含少于50%V的增强剂所得产品如下1)20%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl2)30%VSiC粉+10%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl3)10%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl4)20%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物铅5)20%VSiC粉+20%V玻璃纤维;渗滤物铅实例6-9将粉状增强剂和金属粉共混起来并后续送入铸型中，然后用组成同于上述金属粉的熔融金属基质渗滤，固化后即得复合材料，其中含少于50%V的增强剂所得产品如下6)25%VSiC粉+25%V铅粉;渗滤物铅7)20%VSiC粉+30%V铅粉;渗滤物铅8)40%VSiC粉+10%VZn-Al合金粉(含27%WAl);渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl9)30%VSiC粉+20%VZn-Al合金粉(含11%WAl);渗滤物Zn-Al合金，含11%WAl实例10-14将多相增强剂共混起来以得到生料预铸品，然后将其送入铸型中，用熔融金属基质渗滤后固化即得复合材料，其中含少于50%V的增强剂所得产品中增强剂含量%V与实例1-5相同10)20%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl11)30%VSiC粉+10%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl12)10%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl13)20%VSiC粉+20%VAl2O3短纤维;渗滤物铅14)20%VSiC粉+20%V玻璃纤维;渗滤物铅实例15-17(比较例)用粉状均相增强剂填充铸型后再用组成同上述金属粉的熔融金属基质渗滤，固化后即得复合材料，其中含少于约50%V的增强剂所得产品如下15)约50%VSiC粉;渗滤物铅16)约50%VSiC粉;渗滤物Zn-Al合金，含27%WAl17)约50%VSiC粉;渗滤物Pb-Ag合金，含0.75%WAg