CN112813364A - 一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法，所述碳纤维增强铝硅基复合材料包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al‑Si合金基体；其中，所述Al‑Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1：制备含碳纤维的铝基预制块；S2：熔炼复合材料；S3：喷射沉积制坯；S4：致密化处理。本发明中碳纤维均匀分布在具有高硅含量(质量分数为12％～70％)的碳纤维增强铝硅基复合材料中，且碳纤维与Al‑Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度，使碳纤维增强铝硅基复合材料具有高强度和高韧性。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料及其制备技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法。
背景技术
高硅含量铝硅合金一般指硅含量超过共晶成分(＞12.6％，质量分数)的合金，其具有密度小、热导率高、热膨胀系数低、工艺性能良好等优点，作为电子封装材料、活塞等在军事、航空、航天、交通等高技术领域具有重要应用价值。常规铸造合金中，由于冷却速率较低(小于100℃/s)，Si相宏观偏析严重、分布均匀性很差，初生Si相呈板条状、星状、多面体等多种形态，并且尺寸粗大(>100μm)、棱角尖锐，严重割裂Al基体的连续性，导致力学、加工等性能严重下降。
现有技术中的常采用喷射沉积技术制备不同硅含量的铝硅合金，喷射沉积技术即是利用高速气流击碎、冷却金属熔体，在雾化液滴未完全凝固时将其沉积成一定形状和尺寸的沉积锭坯。由于沉积锭坯中会残留一些孔洞，导致铝硅合金材料的相对密度只能达到80～96％，需要经过致密化处理以去除沉积锭坯中的残留孔洞。例如，英国Osprey金属公司采用喷射沉积技术结合热等静压方法制备不同硅含量铝硅合金，是获得大规格铝硅合金锭坯的重要途经，并已经得到商业化应用(详见专利，公开号：EP0839078B1，US6312535B1)。然而，对于高硅含量的铝硅合金在降低合金热膨胀系数的同时，塑韧性和机加工性能也随之下降，导致铝硅合金的应用受到了极大的限制。
在结构-功能一体化发展的趋势下，通过在铝硅合金中引入具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等优点的碳纤维，在保持铝硅合金良好热导率和热膨胀系数的情况下，还可以改善复合材料的塑韧性，提高其服役表现并拓宽应用领域。目前，关于碳纤维增强铝硅基复合材料及其喷射沉积制备方法还鲜有报道。碳纤维增强金属基复合材料具有优异的综合性能，在航空航天、汽车制造等领域同样受到广泛关注。然而，目前诸多制备碳纤维增强金属基复合材料的制备方法均存在很大的局限性，比如对碳纤维造成损伤或污染基体合金、碳纤维表面，从而不利于碳纤维增强铝硅基复合材料的力学性能和加工性能。
中国专利103628005A公开了一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法，其铝基合金中硅的质量分数为10％～12％，且该制备工艺在熔体合成-压铸成型过程的冷却速度低，碳纤维容易被固/液推移至最后凝固的晶界上，导致碳纤维的偏聚，容易受到损坏。另外，现有金属基复合材料的制备方法可以分为液相法和固相法，传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时，碳纤维容易出现聚集，导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；而传统固相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时，碳纤维与铝硅基体的界面结合强度低，并且铝硅基体粉末和碳纤维容易氧化、引入杂质而脏化。因此，现有金属基复合材料的制备方法，对于制备高硅含量的碳纤维增强铝硅基复合材料均存在一定的局限性，极大的影响了碳纤维增强铝硅基复合材料的推广应用。
发明内容
基于此，为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料。
所述碳纤维增强铝硅基复合材料包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al-Si合金基体；其中，所述Al-Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。
相对于现有技术，本发明中碳纤维均匀分布在具有高硅含量(质量分数为12％～70％)的碳纤维增强铝硅基复合材料中，且碳纤维与Al-Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度，使碳纤维增强铝硅基复合材料具有高强度和高韧性。不仅克服了传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时碳纤维容易出现聚集，从而导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；同时，也克服了传统固相法碳纤维与Al-Si合金基体的界面结合强度低、且容易氧化、引入杂质而脏化的弊端。因此，本发明具有高硅含量的碳纤维增强铝硅基复合材料有利于其在电子封装壳体或活塞等构件领域的批量、稳定化生产；进而在军事、航空、航天、交通等高技术领域具有重要应用价值。
进一步地，所述纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％。纯铝粉保持均匀、细质的粒径，可以确保纯铝粉末与碳纤维充分混合，以增强界面结合强度。
进一步地，所述碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。合适的碳纤维的直径和长度，有利于其与Al-Si合金基体产生高校的的界面反应。
进一步地，在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，所述碳纤维的体积分数为0.2％～5％。一般较高的硅含量对应较低的碳纤维含量，因为硅相的高含量存在，故碳纤维的最优体积分数适当降低。
本发明还提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：将碳纤维与纯铝粉充分混合后，冷压成型，制成含碳纤维的铝基预制块；
S2：熔炼复合材料：将Al-Si合金基体熔炼后，加入所述含碳纤维的铝基预制块，均匀搅拌后，获得复合材料熔体；
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将所述复合材料熔体喷射沉积，获得碳纤维增强铝硅基沉积坯料；
S4：致密化处理：将所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料致密化处理后，获得碳纤维增强铝硅基复合材料。
相对于现有技术，本发明利用快速凝固喷射沉积法可以有效解决碳纤维增强铝硅基复合材料的均匀性和界面问题，在短时间内完成碳纤维增强铝硅基复合材料的成形和冷却，制备过程可控性高、锭坯尺寸较大，从而保证了适量的界面反应和提高了结合强度，并且适合工业化生产。其中，碳纤维均匀分布在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，且碳纤维与Al-Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度，使碳纤维增强铝硅基复合材料具有高强度和高韧性。不仅克服了传统液相法制备碳纤维增强铝硅基复合材料时碳纤维容易出现聚集，从而导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；同时，也克服了传统固相法碳纤维与Al-Si合金基体的界面结合强度低、且容易氧化、引入杂质而脏化的弊端。因此，本发明所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，有利于其在电子封装壳体或活塞等构件领域的批量、稳定化生产；进而在军事、航空、航天、交通等高技术领域具有重要应用价值。
进一步地，在所述步骤S3中，所述喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.2～4.5mm，雾化气体压力为0.9～1.3MPa，雾化温度为850～1250℃，沉积盘的接受距离为380～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
进一步地，在所述步骤S1中，采用低温球磨工艺将按比例配料的碳纤维与纯铝粉进行球磨处理，并混合均匀；所述低温球磨工艺条件为：球磨时间为6～24h，球磨转速为50～500rpm，采用高纯氩气保护，球磨温度低于50℃。保持较低的球磨温度，可以确保碳纤维与纯铝粉的均匀混合；在制备含碳纤维的铝基预制块时，采用冷压成型工艺，其冷压压力为50～200MPa，保压时间为10～180s，保持压块的长高比小于2。控制压块的长高比和冷压压力，可以避免或减少对碳纤维的损伤并减少模具的磨损。其中，在制备含碳纤维的铝基预制块时，所述碳纤维与所述纯铝粉的体积比为1:2～1:10，可见碳纤维的占比较高，与铝硅合金材质相比，不仅重量减轻了约10～50％，实现了轻量化；同时，碳纤维增强铝硅基复合材料的塑韧性和机加工性能提高，可应用范围更广。
进一步地，在所述步骤S2中，熔炼温度比所述Al-Si合金基体的液相线温度高150～250℃；在氩气保护下，采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入所述Al-Si合金基体熔体底部，通过搅拌工艺使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；且添加所述含碳纤维的铝基预制块和均匀化保温的时间小于0.5～1h。所述搅拌工艺包括机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌等。
进一步地，在所述步骤S4中，所述致密化工艺包括热等静压、热压烧结或放电等离子烧结等；所述致密化工艺的处理温度为460～500℃，保温时间为1～4h，压力为120～150MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h，挤压比为10:1；在达到预设的致密化处理温度之前，所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h。
进一步地，根据权利要求14所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，对于所述Al-Si合金基体中硅质量分数低于42％和碳纤维体积分数低于2％的碳纤维增强铝硅基复合材料，还可以采用热挤压或热锻造加工工艺，使碳纤维增强铝硅基沉积坯料的致密化和成型；所述热挤压或热锻造加工工艺的加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h；再经稳定化退火处理后，得到碳纤维增强铝硅基复合材料。
附图说明
图1为本发明碳纤维增强铝硅基复合材料的制备工艺流程图。
图2为本发明实施例1中喷射沉积Al-12％Si/5％CF复合材料加工成的电子封装盖板的实物图。
图3为本发明实施例2中喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料加工成的电子封装壳体的实物图。
图4为本发明实施例3中喷射沉积Al-70％Si/0.2％CF复合材料加工成的电子封装壳体的实物图。
具体实施方式
本发明的发明人多年专注于金属基复合材料的研究，特别是致力于研究出作为电子封装材料、活塞等在军事、航空、航天、交通等高技术领域的高硅含量铝硅基复合材料，以弥补现有技术的碳纤维增强铝硅基复合材料的均匀性和界面问题。
发明人尝试了多种碳纤维与铝硅基的配比和结合制备方法，最终发现利用快速凝固喷射沉积法可以有效解决碳纤维增强铝硅基复合材料的均匀性和界面问题，在短时间内完成碳纤维增强铝硅基复合材料的成形和冷却，制备过程可控性高、锭坯尺寸较大，从而保证了适量的界面反应提高结合强度，并且适合工业化生产。
本发明先制备碳纤维增强铝硅基复合材料，再加工成的电子封装盖板，并对比分析其抗拉强度、伸长率、抗弯强度等力学性能，及导热率和热膨胀系数等热力学性能。
本发明提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al-Si合金基体；其中，所述Al-Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。
作为优选，所述碳纤维与所述纯铝粉的体积比为1:2～1:10。所述纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％。所述碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。
本发明还提供了一种碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，请同时参阅图1，图1本发明碳纤维增强铝硅基复合材料的制备工艺流程图。具体包括以下步骤：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：将碳纤维与纯铝粉充分混合后，冷压成型，制成含碳纤维的铝基预制块。
作为优选，采用低温球磨工艺将按比例配料的碳纤维与纯铝粉进行球磨处理，并混合均匀；所述低温球磨工艺条件为：球磨时间为6～24h，球磨转速为50～500rpm，采用高纯氩气保护，球磨温度低于50℃。在制备含碳纤维的铝基预制块时，采用冷压成型工艺，其冷压压力为50～200MPa，保压时间为10～180s，保持压块的长高比小于2。进一步地，在制备含碳纤维的铝基预制块时，所述碳纤维的体积分数为0.2％～5％。
S2：熔炼复合材料：将Al-Si合金基体熔炼后，加入所述含碳纤维的铝基预制块，均匀搅拌后，获得复合材料熔体。
作为优选，Al-Si合金基体的熔炼温度比所述Al-Si合金基体的液相线温度高150～250℃。在氩气保护下，采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入所述Al-Si合金基体熔体底部，通过搅拌工艺使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；且添加所述含碳纤维的铝基预制块和均匀化保温的时间小于0.5～1h。所述搅拌工艺包括机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌等。
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将所述复合材料熔体喷射沉积，获得碳纤维增强铝硅基沉积坯料。
作为优选，所述喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.2～4.5mm，雾化气体压力为0.9～1.3MPa，雾化温度为850～1250℃，沉积盘的接受距离为380～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
S4：致密化处理：将所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料致密化处理后，获得碳纤维增强铝硅基复合材料。
作为优选，所述致密化工艺包括热等静压、热压烧结或放电等离子烧结等；所述致密化工艺的处理温度为460～500℃，保温时间为1～4h，压力为120～150MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h，挤压比为10:1；在达到预设的致密化处理温度之前，所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h。
进一步地，对于所述Al-Si合金基体中硅质量分数低于42％和碳纤维体积分数低于2％的碳纤维增强铝硅基复合材料，还可以采用热挤压或热锻造加工工艺，使碳纤维增强铝硅基沉积坯料的致密化和成型；所述热挤压或热锻造加工工艺的加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h。
步骤S5：退火处理：将所述碳纤维增强铝硅基复合材料稳定化退火处理。
步骤S6：机械加工处理：将所述碳纤维增强铝硅基复合材料经机加工后，获得碳纤维增强铝硅基构件。退火处理后的碳纤维增强铝硅基复合材料经线切割、精雕加工等得到所需的构件，如电子封装壳体等。
以下通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例中制备一种Al-12％Si/5％CF复合材料，并将其加工为电子封装盖板，具体步骤如下：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：原材料所选取的纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％；碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。根据设计的含碳纤维的铝基预制块成分进行配料，其中碳纤维与纯铝粉的体积比为1:2～1:5，采用低温球磨工艺将碳纤维与纯铝粉均匀混合，球磨时间为6～12h，球磨机转速为50～200rpm，球磨罐充高纯氩气保护，球磨温度低于50℃；在制备纯铝基复合材料预制块时，冷压成型所需要的压力为50～120MPa，保压时间为10～30s，保持压块的长高比小于2。
S2：熔炼复合材料：以硅含量为12％、余量为铝的重量百分比来配制Al-Si合金基体，将Al-Si合金基体熔炼，熔炼温度比Al-Si合金基体的液相线温度高150～200℃。采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入Al-Si合金基体熔体底部，采用机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；添加预制块时间和均匀化保温时间小于0.5～1h，熔炼和含碳纤维的铝基预制块均在氩气保护下进行；其中，碳纤维占碳纤维增强铝硅基复合材料体积分数的5％。
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将复合材料熔体喷射沉积，喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.5mm，雾化气体压力为0.9～1.1MPa，雾化温度为850～950℃，沉积盘的接受距离为380～420mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
S4：致密化处理：采用热等静压进行致密化处理碳纤维增强铝硅基沉积坯料，碳纤维增强铝硅基沉积坯料的加热温度为460℃，保温时间为2h，压力为120MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h；在达到预设温度之前，碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h；采用热挤压变形加工碳纤维增强铝硅基沉积坯料，使碳纤维增强铝硅基复合材料成型，热挤压加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h，挤压比10:1。
S5：退火处理：喷射沉积Al-12％Si/5％CF复合材料的稳定化退火温度为400℃，保温时间为6h，保温结束后自然冷却至室温，得到碳纤维增强铝硅基复合材料；
S6：机械加工处理：喷射沉积Al-12％Si/5％CF复合材料经锯切、膜表面后得到1.8mm厚的电子封装盖板。
请同时参阅图2，附图2为本发明实施例1中喷射沉积Al-12％Si/5％CF复合材料加工成的电子封装盖板的实物图，从该实物图可以看出，其宏观表面质量和机加工性能良好。
实施例2
本实施例2与实施例1的碳纤维增强铝硅基复合材料制备步骤相同，其区别在于制备过程中各组分含量和条件参数的不同。
本实施例中制备一种Al-50％Si/0.5％CF复合材料，并将其加工为电子封装盖板，具体步骤如下：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：原材料所选取的纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％；碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。根据设计的含碳纤维的铝基预制块成分进行配料，其中碳纤维与纯铝粉的体积比为1:5～1:8，采用低温球磨工艺将碳纤维与纯铝粉均匀混合，球磨时间为12～18h，球磨机转速为200～400rpm，球磨罐充高纯氩气保护，球磨温度低于50℃；在制备纯铝基复合材料预制块时，冷压成型所需要的压力为120～150MPa，保压时间为60～120s，保持压块的长高比小于2。
S2：熔炼复合材料：以硅含量为50％、余量为铝的重量百分比来配制Al-Si合金基体，将Al-Si合金基体熔炼，熔炼温度比Al-Si合金基体的液相线温度高200～220℃。采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入Al-Si合金基体熔体底部，采用机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；添加预制块时间和均匀化保温时间小于0.5～1h，熔炼和含碳纤维的铝基预制块均在氩气保护下进行；其中，碳纤维占碳纤维增强铝硅基复合材料体积分数的0.5％。
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将复合材料熔体喷射沉积，喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为4.0mm，雾化气体压力为1.0～1.2MPa，雾化温度为1000～1150℃，沉积盘的接受距离为450～500mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
S4：致密化处理：采用热等静压进行致密化处理碳纤维增强铝硅基沉积坯料，碳纤维增强铝硅基沉积坯料的加热温度为500℃，保温时间为4h，压力为120MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h；在达到预设温度之前，碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h；采用热挤压变形加工碳纤维增强铝硅基沉积坯料，使碳纤维增强铝硅基复合材料成型，热挤压加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h，挤压比10:1。
S5：退火处理：喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料的稳定化退火温度为400℃，保温时间为6h，保温结束后自然冷却至室温，得到碳纤维增强铝硅基复合材料；
S6：机械加工处理：喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料经锯切、精雕加工后得到电子封装盖板。
请同时参阅图3，图3为本发明实施例2中喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料加工成的电子封装壳体的实物图。壳体尺寸满足相应参数要求，说明喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料可以在电子封装壳体领域得到应用。
实施例3
本实施例3与实施例1、实施例2的碳纤维增强铝硅基复合材料制备步骤相同，其区别在于制备过程中各组分含量和条件参数的不同。
本实施例中制备一种Al-70％Si/0.2％CF复合材料，并将其加工为电子封装盖板，具体步骤如下：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：原材料所选取的纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％；碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。根据设计的含碳纤维的铝基预制块成分进行配料，其中碳纤维与纯铝粉的体积比为1:8～1:10，采用低温球磨工艺将碳纤维与纯铝粉均匀混合，球磨时间为18～24h，球磨机转速为400～500rpm，球磨罐充高纯氩气保护，球磨温度低于50℃；在制备纯铝基复合材料预制块时，冷压成型所需要的压力为150～200MPa，保压时间为120～180s，保持压块的长高比小于2。
S2：熔炼复合材料：以硅含量为70％、余量为铝的重量百分比来配制Al-Si合金基体，将Al-Si合金基体熔炼，熔炼温度比Al-Si合金基体的液相线温度高220～250℃。采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入Al-Si合金基体熔体底部，采用机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；添加预制块时间和均匀化保温时间小于0.5～1h，熔炼和含碳纤维的铝基预制块均在氩气保护下进行；其中，碳纤维占碳纤维增强铝硅基复合材料体积分数的0.2％。
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将复合材料熔体喷射沉积，喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为4.5mm，雾化气体压力为1.2～1.3MPa，雾化温度为1150～1250℃，沉积盘的接受距离为500～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
S4：致密化处理：采用热等静压进行致密化处理碳纤维增强铝硅基沉积坯料，碳纤维增强铝硅基沉积坯料的加热温度为500℃，保温时间为4h，压力为150MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h；在达到预设温度之前，碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h；采用热挤压变形加工碳纤维增强铝硅基沉积坯料，使碳纤维增强铝硅基复合材料成型，热挤压加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h，挤压比10:1。
S5：退火处理：喷射沉积Al-50％Si/0.5％CF复合材料的稳定化退火温度为400℃，保温时间为6h，保温结束后自然冷却至室温，得到碳纤维增强铝硅基复合材料；
S6：机械加工处理：喷射沉积Al-70％Si/0.2％CF复合材料经锯切、精雕加工后得到电子封装盖板。
请同时参阅图4，图4为本发明实施例3中喷射沉积Al-70％Si/0.2％CF复合材料加工成的电子封装壳体的实物图。壳体尺寸满足相应参数要求，说明喷射沉积Al-70％Si/0.2％CF复合材料可以在电子封装壳体领域得到应用。
性能对比
表1实施例1-3所制备得到的碳纤维增强铝硅基复合材料的性能对比
| 性能 | Al-12Si | 实施例1 | Al-50Si | 实施例2 | Al-70Si | 实施例3 |
| 抗拉强度(MPa) | 154.1 | 203.5 | 138 | 254.8 | 100 | 135.6 |
| 伸长率(％) | 6.7 | 7.2 | / | 0.8 | / | 0.3 |
| 抗弯强度(MPa) | 187.3 | 266.5 | 172 | 337.6 | 143 | 198.3 |
| 热导率(W/m·K) | 185.1 | 167.8 | 149 | 142.3 | 120 | 98.5 |
| 热膨胀系数(×10<sup>-6</sup>/℃，20～200℃) | 21.1 | 18.2 | 11.0 | 11.2 | 7.4 | 7.4 |
由实施例1-3制备得到的碳纤维增强铝硅基复合材料、及其相应未添加碳纤维的铝硅基复合材料的性能如表1所示。由表1可知，首先，与未添加碳纤维的铝硅基复合材料相比，实施例1-3制备得到的碳纤维增强铝硅基复合材料的抗拉强度、伸长率和抗弯强度均得到了有效提高，如抗拉强度相应增加了32.1％～84.6％，伸长率相应增加了约7.5％，抗弯强度相应增加了38.7％～96.3％；而热导率和热膨胀系数得到了有效降低，如热导率相应降低了6.7％～17.9％，热膨胀系数最多降低了约13.7％。
值得注意的是，随着铝硅基复合材料中硅质量分数的增加，如从12％增加到50％，再增加到70％，其相应的抗拉强度、伸长率、热导率和热膨胀系数均逐渐降低；而抗弯强度呈先增加再降低的趋势。随着Al-Si合金基体中硅的质量分数的增加，所制备得到的碳纤维增强铝硅基复合材料的结晶性越好，而导电性则降低，表面平整性和厚度是在制备条件参数范围的中间值时较优。
综上所述，本发明所述碳纤维增强铝硅基复合材料及其制备方法，具有如下优点：
(1)碳纤维增强铝硅基复合材料中，碳纤维分布均匀，与Al-Si合金基体产生一定程度的界面反应，增强界面结合强度；
(2)碳纤维增强铝硅基复合材料有效提高了强度和韧性，作为电子封装材料使用时可靠性更高、使用性能更好；
(3)碳纤维增强铝硅基复合材料采用喷射沉积技术制备，克服了传统液相法制备碳纤维增强复合材料时碳纤维容易出现聚集，导致其强韧化作用无法有效发挥的问题；同时也克服了传统固相法碳纤维与Al-Si合金基体的界面结合强度低并且容易氧化、引入杂质而脏化的弊端；
(4)碳纤维增强铝硅基复合材料采用喷射沉积技术制备，实现了该类复合材料以及电子封装壳体或构件的批量、稳定化生产；
(5)碳纤维增强铝硅基复合材料可以加工成电子封装壳体，也可加工成各种耐磨构件，比如汽车活塞等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：包括以下原料组分：纯铝粉、碳纤维和Al-Si合金基体；其中，所述Al-Si合金基体中硅的质量分数为12％～70％。
2.根据权利要求1所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：所述纯铝粉为气雾化的近球形粉末，平均粒度为12～20μm，纯度高于99.5％。
3.根据权利要求2所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：所述碳纤维的直径为5～10μm，长度为10～150μm。
4.根据权利要求3所述碳纤维增强铝硅基复合材料，其特征在于：在所述碳纤维增强铝硅基复合材料中，所述碳纤维的体积分数为0.2％～5％。
5.一种制备如权利要求1～4任意一项所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制备含碳纤维的铝基预制块：将碳纤维与纯铝粉充分混合后，冷压成型，制成含碳纤维的铝基预制块；
S2：熔炼复合材料：将Al-Si合金基体熔炼后，加入所述含碳纤维的铝基预制块，均匀搅拌后，获得复合材料熔体；
S3：喷射沉积制坯：采用喷射沉积工艺将所述复合材料熔体喷射沉积，获得碳纤维增强铝硅基沉积坯料；
S4：致密化处理：将所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料致密化处理后，获得碳纤维增强铝硅基复合材料。
6.根据权利要求5所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述喷射沉积工艺的工作条件为：喷嘴直径为3.2～4.5mm，雾化气体压力为0.9～1.3MPa，雾化温度为850～1250℃，沉积盘的接受距离为380～520mm，雾化器扫描频率为21～24Hz，沉积盘的下降速度为19～25mm/min，雾化气体为氮气，中间包温度为900～1000℃。
7.根据权利要求6所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，采用低温球磨工艺将按比例配料的碳纤维与纯铝粉进行球磨处理，并混合均匀；所述低温球磨工艺条件为：球磨时间为6～24h，球磨转速为50～500rpm，采用高纯氩气保护，球磨温度低于50℃；在制备含碳纤维的铝基预制块时，采用冷压成型工艺，其冷压压力为50～200MPa，保压时间为10～180s，保持压块的长高比小于2。
8.根据权利要求7所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S2中，熔炼温度比所述Al-Si合金基体的液相线温度高150～250℃；在氩气保护下，采用铝箔包覆含碳纤维的铝基预制块，并将其置于石墨钟罩中压入所述Al-Si合金基体熔体底部，通过搅拌工艺使碳纤维在所述Al-Si合金基体熔体中均匀分布；且添加所述含碳纤维的铝基预制块和均匀化保温的时间小于0.5～1h。
9.根据权利要求8所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，所述致密化工艺包括热等静压、热压烧结或放电等离子烧结等；所述致密化工艺的处理温度为460～500℃，保温时间为1～4h，压力为120～150MPa，加热速率为10～20℃/h，降温速率为20～50℃/h，挤压比为10:1；在达到预设的致密化处理温度之前，所述碳纤维增强铝硅基沉积坯料在400℃条件下保温1h。
10.根据权利要求8所述碳纤维增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，对于所述Al-Si合金基体中硅质量分数低于42％和碳纤维体积分数低于2％的碳纤维增强铝硅基复合材料，还可以采用热挤压或热锻造加工工艺，使碳纤维增强铝硅基沉积坯料的致密化和成型；所述热挤压或热锻造加工工艺的加热温度为380～400℃，保温时间为2～4h；再经稳定化退火处理后，得到碳纤维增强铝硅基复合材料。
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