权利要求
1.一种
碳化硅-
铜-
镍金属陶瓷
复合材料，其特征在于，按质量百分比计，由以下组分组成：碳化硅陶瓷相34%～88%;铜5%～30%;镍5%～30%;界面改性助剂1%～5%;不可避免杂质≤1%;各组分质量百分比总和为100%。
2.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述界面改性助剂为TiO2、Al2O3、SiO2、Co、C中的至少一种或两种以上复合改性剂。
3.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，材料为致密双相组织，碳化硅形成连续三维骨架结构，铜-
镍合金相均匀填充于骨架间隙中，两相界面结合致密无孔洞、无裂纹、无脱粘、无颗粒团聚。
4.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，碳化硅晶粒度为30μm～60μm，铜-镍合金相晶粒度为1μm～20μm，复合材料致密度≥95%。
5.根据权利要求1～4任一项所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，材料性能满足：硬度≥2600HV;抗冲击功≥3.5J/cm²;断裂韧性KIC≥6.5MPa·m^1/2;抗压强度≥700MPa;具有优良导电导磁性;可承受1500℃至室温水淬循环≥20次不开裂。
6.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，组成为：碳化硅38%、铜28%、镍29%、复合界面改性助剂4%。
7.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，组成为：碳化硅60%、铜17%、镍19%、复合界面改性助剂3%。
8.根据权利要求1所述的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，其特征在于，组成为：碳化硅85%、铜5%、镍5%、复合界面改性助剂4%。
9.一种权利要求1～8任一项所述碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括：混料2～6小时;采用干压、冷压、热压、温压、注浆、注塑、凝胶注模或3D打印中的至少一种成型;在真空或惰性气氛下1800℃～2050℃烧结2～4小时;后处理得到复合构件。
10.权利要求1～8任一项所述碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料在制备冶金高温构件、军工防弹件、航空航天耐热件、感应发热体、无线充电器件或高端耐磨导电导磁部件中的应用。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种兼具高硬度、高韧性、优良导电导磁性能与优异抗热震性能的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，同时还涉及该复合材料的标准化制备工艺，以及其在多领域的工业化应用场景，属于先进
陶瓷基复合材料制备与应用技术范畴。
背景技术
[0002]碳化硅陶瓷是目前工业领域应用极为广泛的先进结构陶瓷，具备仅次于金刚石的超高硬度、优异的耐磨耐蚀性、耐高温抗氧化性能以及低密度优势，在冶金高炉构件、军工防弹结构、航空航天耐热部件、高温耐磨机械配件等领域具备不可替代的应用价值。但纯碳化硅陶瓷属于典型的脆性材料，自身断裂韧性差、抗冲击性能弱，同时不具备导电、导磁性能，且高温下加工难度大，无法适配复杂极端工况，尤其是兼具高温、高压、急冷急热、电磁耦合需求的场景，严重限制了其应用范围的进一步拓展。
[0003]金属陶瓷复合材料通过在陶瓷基体中引入金属粘结相，能够有效结合陶瓷的高硬度、高耐磨、耐高温优势与金属的高韧性、良好导电导热性，实现两相性能的协同互补，解决单一陶瓷材料的性能短板。目前现有技术中已有碳化硅-铜-镍体系金属陶瓷的相关研究，但实际应用过程中普遍存在多项技术瓶颈：一是组分适配区间狭窄，性能调控灵活性差，难以适配不同工况的差异化需求;二是陶瓷相与金属相界面结合力弱，易出现界面孔洞、微裂纹、颗粒团聚等缺陷，导致材料致密度偏低;三是高温稳定性不足，抗热震性能差，无法承受高温至室温的急冷急热循环，易出现开裂、变形问题;四是综合性能不均衡，难以同时兼顾高硬度、高韧性、高抗压强度与优良导电导磁性能，无法满足多场景复合工况的使用要求，工业化量产可行性较低。
[0004]基于现有技术的上述缺陷，开发一种组分配比合理、微观结构均匀、界面结合致密、综合性能优异，且具备超强抗热震性能、可耐受极端急冷急热工况、工艺成熟易实现工业化生产的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，突破现有技术瓶颈，满足高端装备制造、军工、航空航天、新能源等领域的核心需求，具备重要的工程应用价值与广阔的市场前景。
发明内容
[0005]发明目的
本发明针对现有碳化硅基金属陶瓷复合材料存在的组分可调性差、界面结合薄弱、致密度低、综合性能不均衡、抗热震性能差、高温稳定性不足以及难以工业化量产等技术问题，提供一种碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料及其制备方法与应用。本发明通过精准优化原料组分配比、调控微观组织结构、优化烧结制备工艺，有效改善陶瓷相与金属相的界面结合状态，大幅提升材料致密度与综合力学性能，使材料同时具备超高硬度、优良抗冲击韧性、高抗压强度、优异导电导磁性能与超强抗热震性能，可在高温极端工况下长期稳定使用，且制备工艺简单可控、适配大规模工业化生产，全面覆盖冶金、军工、航空航天、新能源感应加热、无线充电等多领域的应用需求。
[0006]技术方案
为实现上述发明目的，本发明公开的技术方案具体如下：
[0007]本发明碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，按质量百分比计，由以下组分组成，各组分质量百分比总和为100%：
碳化硅(SiC)陶瓷相：34%～88%，作为材料的核心增强相与连续骨架，提供超高硬度、耐磨性能与耐高温稳定性，是保障材料整体结构强度与耐磨耐高温特性的核心组分;
铜(Cu)金属相：5%～30%，作为粘结相核心组分，有效提升材料整体韧性与导电导热性能，优化陶瓷相与金属相之间的界面相容性，缓解陶瓷相脆性缺陷;
镍(Ni)金属相：5%～30%，与铜形成Cu-Ni合金粘结相，强化陶瓷相与金属相的界面结合力，同时大幅提升材料高温强度、抗氧化性能与导磁性能，弥补纯铜粘结相高温稳定性不足的短板;
界面改性助剂：1%～5%，所述界面改性助剂为TiO2、Al2O3、SiO2、Co、C中的至少一种或两种以上复合改性剂，专门用于改善碳化硅陶瓷相与铜-镍合金相的界面润湿性，消除界面孔洞、微裂纹、颗粒团聚等缺陷，提升两相界面结合致密性与材料整体致密度;
不可避免的杂质：≤1%，严格控制原料与制备过程中的杂质含量，避免杂质干扰微观组织结构形成，保障材料综合性能稳定达标。
[0008]本发明复合材料经过优化制备与致密化烧结处理，形成均匀稳定的致密化双相金相组织，无明显结构缺陷，具体结构特征如下：
组织形态：碳化硅陶瓷相形成连续贯通的三维骨架结构，均匀弥散分布于铜-镍合金粘结基体中，两相界面结合紧密致密，无明显界面孔洞、分离裂纹、颗粒团聚或相脱粘现象，界面结合强度高，从微观结构层面保障材料综合性能均衡;
晶粒度控制：碳化硅晶粒平均晶粒度控制在30μm～60μm，铜-镍合金粘结相平均晶粒度控制在1μm～20μm，陶瓷相与金属相晶粒度配比合理，兼顾硬度与韧性，避免晶粒过大或过小导致的性能短板;
致密度：烧结成型后的复合材料相对致密度≥95%，高致密度可有效避免内部孔隙导致的应力集中问题，保障材料硬度、韧性、抗压强度等核心力学性能稳定发挥，适配极端工况使用。
[0009]本发明复合材料经过性能检测，核心指标满足以下要求，可同时适配力学、高温、电磁多场景复合需求：
力学性能：硬度≥2600HV，抗冲击功≥3.5J/cm²，断裂韧性KIC≥6.5MPa·m^1/2，抗压强度≥700MPa;
电磁性能：导电、导磁性能优异，可高效耦合交变磁场，稳定实现感应发热与感应取电功能，突破传统碳化硅陶瓷无电磁性能的局限;
抗热震性能：可承受1500℃至室温水淬急冷急热循环≥20次不开裂、不剥落、不变形;
工况适应性：在风冷、水冷、油冷等多种冷却介质冲击下，结构稳定性优异，无开裂、变形、表层剥落问题，可在高温急冷急热极端工况下长期使用。
[0010]表1
[0011]由表1可见，纯碳化硅陶瓷虽具备超高抗压强度与硬度，但脆性大、韧性差、抗热震性差、无导电导磁性能，实际应用过程中易发生瞬时脆性断裂，适配场景有限;普通钢材、铸铁材料韧性较好、易加工，但抗压强度、硬度、耐高温性严重不足，无法用于高温极端工况;本发明所述碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料，抗压强度达700～900MPa，同时兼具高硬度、高断裂韧性、优良抗热震性、导电导磁性与耐高温性，全面克服了现有单一材料与同类复合材料的性能缺陷，具备突出的实质性特点和显著的技术进步。
[0012]本发明复合材料制备工艺成熟可控，无需特殊复杂高端设备，工艺参数适配现有工业生产设备，可实现工业化大规模量产，具体包括以下四个标准化步骤：
混料工序：按照上述质量百分比，精准称量碳化硅粉末、铜粉、镍粉及界面改性助剂，将所有原料同步投入混料设备中，混合2～6小时，全程控制混料转速与环境，确保各组分粉末充分混匀、无颗粒团聚、无偏析现象，最终得到分散均匀的混合粉料;
成型工序：根据后续产品结构形状、尺寸与精度需求，选用干压、冷压、热压、温压、注浆、注塑、3D打印成型中的至少一种工艺，将均匀混合粉料制备成预设形状与尺寸的生坯，保障生坯结构完整、密度均匀、无分层开裂缺陷;
烧结工序：将成型后的生坯置于真空烧结炉或气氛保护烧结炉中，在真空或氩气、氮气等惰性气氛保护条件下，匀速升温至1800℃～2050℃，保温烧结2～4小时，完成材料致密化烧结与陶瓷相-金属相界面结合反应，随后随炉自然冷却至室温，得到结构致密的烧结坯体;
后处理工序：根据实际产品精度、表面光洁度与尺寸公差要求，对烧结坯体进行精磨、抛光或常规机加工处理，最终得到尺寸精准、表面光洁、性能达标的碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合构件。
附图说明
[0013]图1为本发明实施例2所述碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料的内部金相显微组织照片，其中：
• 黑色区域为连续三维分布的碳化硅(SiC)陶瓷增强相，构成材料的骨架结构，提供高硬度、高耐磨及耐高温性能;
• 黄灰色区域为均匀填充于陶瓷骨架间隙中的铜-镍(Cu-Ni)合金粘结相，起到增韧、导电及导磁作用;
• 两相界面结合致密，无明显孔洞、裂纹或脱粘现象，保证了材料优异的综合力学性能与抗热震性能。
[0014]有益效果
本发明相较于现有碳化硅复合材料，具备以下突出有益效果，全面解决现有技术瓶颈，具备极强的工业化应用价值：
组分可调性强，适配多场景差异化需求：原料组分配比范围宽泛，可根据不同工况的性能侧重，灵活调整碳化硅、铜、镍的质量占比，针对性制备出高导电导磁型、超高耐磨型、高温稳定型、防弹防护型、综合均衡型等多款差异化材料，精准适配不同领域的使用要求;
界面结合优良，材料致密度高：通过添加专用界面改性助剂，大幅优化陶瓷相与金属相的界面润湿性，彻底解决界面孔洞、微裂纹、相脱粘等共性缺陷，材料相对致密度≥95%，力学性能稳定可靠，无局部性能薄弱点，使用寿命更长;
综合力学性能优异：完美融合陶瓷相的高硬度、高耐磨特性与金属相的高韧性、高抗压特性，核心力学指标远超常规同类复合材料，高压载荷、冲击载荷下抗变形、抗破损能力突出，克服纯碳化硅陶瓷脆性断裂的核心短板;
导电导磁性能独特，拓宽应用场景：突破纯碳化硅陶瓷不导电、不导磁的技术局限，赋予材料优良导电、导磁性能，可实现电磁感应耦合、感应发热、无线取电功能，成功拓宽材料在新能源感应加热、无线充电等新兴领域的应用;
耐高温与抗热震性能顶尖：可长期耐受1500℃高温，瞬时耐受1800℃高温，且耐急冷急热性能优异，1500℃至室温水淬循环20次以上不开裂，完美适配冶金、航空航天等极端高温工况;
工艺成熟，工业化量产可行性高：制备工艺步骤简洁，烧结温度区间可控，无需特殊定制设备，混料、成型、烧结、后处理全流程工序均适配现有工业生产设备，工艺参数稳定，可实现大规模标准化量产;
应用领域广泛，市场前景广阔：可广泛应用于冶金高温构件、军工防弹结构、航空航天耐热部件、感应发热体、无线充电设备、高端耐磨导电导磁部件等领域，应用场景全面覆盖高端制造、军工、新能源、航空航天等国家核心赛道。
具体实施方式
[0015]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，实施例仅用于对本发明的技术方案进行具体说明，不限制本发明的保护范围，本领域技术人员在本发明核心技术方案基础上做出的非创造性改进，均属于本发明的保护范畴。
[0016]实施例1 低碳化硅·高导电导磁高韧性型组分组成(质量百分比)：碳化硅38%、铜28%、镍29%、TiO2-Al2O3-Co复合界面改性助剂4%、不可避免杂质≤1%。
[0017]制备工艺：将各组分按配比精准称量后投入混料设备，搅拌混料4小时;采用冷压成型工艺，成型压力30MPa;将生坯置于真空烧结炉，控制真空度≤10-²Pa，匀速升温至2050℃，保温3小时完成致密化烧结;随炉冷却至室温后，经精磨、抛光处理，得到复合材料构件。
[0018]性能检测结果：致密度97.2%，硬度2650HV，抗冲击功4.4J/cm²，断裂韧性7.4MPa·m^1/2，抗压强度830MPa;1500℃水淬循环≥25次不开裂、不变形、不剥落;微观结构显示两相界面结合致密，无孔洞、无裂纹、无脱粘，导电导磁性能优异，适配导电导磁需求突出的场景。
[0019]实施例2 中碳化硅·综合性能均衡型组分组成(质量百分比)：碳化硅60%、铜17%、镍19%、SiO2-TiO2-Co复合界面改性助剂3%、不可避免杂质≤1%。
[0020]制备工艺：按配比精准称量所有原料，搅拌混料4小时;采用温压成型工艺，成型压力25MPa;在真空氛围下匀速升温至1900℃，保温4小时完成烧结;随炉冷却后进行抛光处理，得到复合材料成品。
[0021]性能检测结果：致密度96.9%，硬度2800HV，抗冲击功4.0J/cm²，断裂韧性7.0MPa·m^1/2，抗压强度800MPa;1500℃水淬循环≥20次不开裂;陶瓷相与金属相界面结合牢固，硬度、韧性、耐高温性、导电导磁性均衡达标，通用性极强，适配多数常规与中度极端工况。
[0022]实施例3 高碳化硅·超高硬度耐磨型组分组成(质量百分比)：碳化硅85%、铜5%、镍5%、Co-Al2O3复合界面改性助剂4%、不可避免杂质≤1%。
[0023]制备工艺：按配比混合所有原料，搅拌混料5小时;采用热压成型工艺;在氩气惰性气氛保护下，匀速升温至1950℃，保温3小时完成烧结;随炉冷却后通过常规机加工成型，得到最终构件。
[0024]：致密度96.6%，硬度2980HV，抗冲击功3.5J/cm²，断裂韧性6.5MPa·m^1/2，抗压强度790MPa;1500℃水淬循环≥20次不开裂;界面结合致密，高温稳定性极佳，耐磨性远超常规同类材料，适配高耐磨、高硬度需求的极端工况。
说明书附图(1)
声明：
“碳化硅-铜-镍金属陶瓷复合材料及其制备方法与应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：冯振洲
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2026年08月06日 ~ 08日 
