CN102408237A - 含石墨碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
含石墨碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法，它涉及一种复合材料及其制备方法。解决目前陶瓷复合材料不具备耐腐蚀、耐磨损，摩擦系数小且耐热冲击特点的问题。方案一：所述复合材料按体积份数比由5-30份的石墨、65-90份的碳化硅和5份的硅粉组成；方案二：步骤一、取石墨粉和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合；步骤二、在钢模中压制成粉末压坯，压力为150-200Mpa；步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为1-3小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加0.5-10MPa的氩气气压，取出浸润后的粉末压坯；步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为1700-1800℃，时间2-5小时。本发明用于制备复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术
流体输运设备的各种泵中常用滑动轴承或机械密封环材料多采用氧化铝或碳化硅陶瓷材料或优质石墨材料。上述陶瓷材料具有耐腐蚀、耐磨损，长寿命的特点，特别是在输送强酸碱等腐蚀性介质的工况得到了广泛的应用。而石墨材料具有耐腐蚀，优良的润滑性能在实际工况也得到大量的应用。在密封件中经常是陶瓷和石墨组对使用。但在实际生产中常出现水泵干启动或缺水工作的情况，导致泵中的滑动轴承或密封件因高速相对运动，摩擦生热、迅速升温，致使轴承或密封环对磨件材料表面炸裂，轴承或密封件工作失效，甚至整台泵破损、报废。上述情况产生的根本原因是两对磨件之间的摩擦系数大，摩擦生热严重，激烈的温升致使脆性陶瓷材料炸裂而破损。虽然可使用金属或石墨件组对，但金属件耐腐蚀性和耐磨损性能不足以满足使用工况的要求。而石墨件虽耐腐蚀性能好，但耐磨损性能差，使用寿命难以保证，因而急需开发一种既耐腐、耐磨损，有具有摩擦系数小耐热冲击的材料，满足上述工况的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种含石墨碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法，以解决目前陶瓷复合材料不具备耐腐蚀、耐磨损，摩擦系数小且耐热冲击特点的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：方案一：所述复合材料按体积份数比由5-30份的石墨、65-90份的碳化硅和5份的硅粉组成。
方案二：步骤一、取石墨粉和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中石墨粉的体积份数为5-30份，碳化硅粉的体积份数为65-90份，硅粉的体积份数为5份，其中碳化硅粉的粒径为7-14微米，目数为80-200目，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为石墨粉和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目，干燥温度为100℃-150℃；
步骤二、在钢模中压制成粉末压坯，压力为150-200Mpa；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为1-3小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加0.5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为1700-1800℃，时间2-5小时。
本发明具有以下有益效果：1、制成的含石墨碳化硅烧结的基体由石墨和碳化硅互穿网络构成的，不含游离硅，因而耐腐蚀性能优异。石墨与游离硅的反应所形成的碳化硅形成网络的骨架，起到支撑的作用。过量的石墨处于网络的空隙中，起到润滑和减磨的作用。制成的含石墨碳化硅复合材料具有良好的润滑性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗热震的能力。经试验证明所得到的制品其摩擦系数降低，摩擦热明显减少，耐磨性能提高；
2、本发明的制造方法中的侵润过程将未反应的游离硅继续与石墨反应以确保硅与石墨生成碳化硅的过程全部完成。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的所述复合材料按体积份数比由5-30份的石墨、65-90份的碳化硅和5份的硅粉组成。
具体实施方式二：本实施方式的复合材料按体积份数比由30份的石墨、65份的碳化硅和5份的硅粉组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的所述复合材料按体积份数比由5份的石墨、90份的碳化硅和5份的硅粉组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式的方法包括以下步骤：所述方法包括以下步骤：步骤一、取石墨粉和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中石墨粉的体积份数为5-30份，碳化硅粉的体积份数为65-90份，硅粉的体积份数为5份，其中碳化硅粉的粒径为7-14微米，目数为80-200目，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为石墨粉和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目，干燥温度为100℃-150℃；
步骤二、在钢模中压制成粉末压坯，压力为150-200Mpa；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为1-3小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加0.5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为1700-1800℃，时间2-5小时。
具体实施方式五：本实施方式的所述步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10Mpa，此步骤烧结粉末压坯效果更好。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式的步骤三中氩气的纯度为99.99％，此步骤加速硅与石墨生成碳化硅。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施例如下：
具体实施例一：取80目石墨粉700克，平均粒径14微米到碳化硅粉混合均匀。混合在球磨罐中进行，磨球使用无压烧结到碳化硅。混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂。混合大约12小时后，取出干燥破碎成小颗粒过200目筛。在钢模中压制成直径40mm，高度60mm的粉末压坯。而后至于熔融到硅液体中，侵润3-4小时。侵润过程在熔融的硅液表面施加5MPa的气压。侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出工件，置于烧结炉中烧结，烧结温度1755℃，时间2-5小时。
所得到的烧结体的密度为2.76g/cm3.抗弯强度为154MPa。断裂韧性5.6MPam1/2。
在侵润过程中不施加气压，则所得到的烧结体的密度为2.54g/cm3.抗弯强度为113MPa。断裂韧性4.2MPam1/2。
具体实施例二：取200目石墨粉600克，平均粒径7微米的碳化硅粉，置于球磨罐中，加入碳化硅磨球占球磨罐体积的三分之一，同时加入适量的聚乙烯醇作为粘接剂。混合大约24小时。干燥破碎后过200目筛。所得到的粉料在钢模中压制成型，压力为150-200MPa。压制成直径30mm，高度50mm的圆柱体。置于熔融的硅液中侵润。硅液表面施加10MPa纯度为99.99％的氩气气压。侵润的时间为5小时。缓慢降压至常压后取出工件，置于气压烧结炉中烧结，烧结温度1755℃，时间3小时，气压为2MPa。所得到的烧结体密度为2.74g/cm3。抗弯强度为156MPa，断裂韧性为5.9MPam1/2。
在浸润过程中硅液表面不施加氩气气压，则所得到的烧结体密度为2.63g/cm3。抗弯强度为109MPa，断裂韧性为3.9MPam1/2。
Claims (6)
1.一种含石墨碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于所述复合材料按体积份数比由5-30份的石墨、65-90份的碳化硅和5份的硅粉组成。
2.根据权利要求1所述含石墨碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于所述复合材料按体积份数比由30份的石墨、65份的碳化硅和5份的硅粉组成。
3.根据权利要求1所述含石墨碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于所述复合材料按体积份数比由5份的石墨、90份的碳化硅和5份的硅粉组成。
4.一种权利要求1所述含石墨碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、取石墨粉和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中石墨粉的体积份数为5-30份，碳化硅粉的体积份数为65-90份，硅粉的体积份数为5份，其中碳化硅粉的粒径为7-14微米，目数为80-200目，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为石墨粉和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目，干燥温度为100℃-150℃；
步骤二、在钢模中压制成粉末压坯，压力为150-200Mpa；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为1-3小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加0.5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为1700-1800℃，时间2-5小时。
5.根据权利要求4所述含石墨碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10Mpa。
6.根据权利要求4或5所述含石墨碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤三中氩气的纯度为99.99％。
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