CN103539386A - 铸造碳化硅复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料技术领域, 具体地说是一种铸造碳化硅复合材料及其制备方法。目前,氧化铝陶瓷、高密度聚乙烯和橡胶内衬材料，均不能同时满足各类设备对耐磨性、耐腐蚀性和机械强度的要求；进口特种陶瓷设备的使用寿命虽然较长，但存在价格高、导致运行和生产的成本高等问题。本发明的铸造碳化硅复合材料主要含有碳化硅、玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维、粘接剂组分及添加剂。采用真空浇铸的生产工艺能够制造各种形状复杂的产品。该材料耐磨性好、耐化学腐蚀性强、机械强度高，适用于固液、固气两相介质输送设备。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域, 具体地说是一种铸造碳化硅复合材料及其制备方法。
背景技术
目前经常使用的氧化铝陶瓷具有较好的耐磨性，耐弱酸、弱碱和盐的腐蚀，但是由于陶瓷材料的脆性大、强度低，不易于加工成复杂形状的设备衬里和有较高强度的部件，如循环泵叶轮；高铬铸铁（钢）强度高，易于加工成形状复杂的衬里，但其耐腐蚀性和耐磨性远不及陶瓷材料，且其耐腐蚀性能和耐磨性能互相矛盾，两者不能兼顾；而传统的高密度聚乙烯和橡胶内衬材料，具有一定的耐腐蚀性能，缺点是耐冲蚀磨损性能差，容易脱落；常用的聚氨酯材料耐酸碱腐蚀，但是对安装要求高且耐磨性一般，不适用于大颗粒物料冲击磨损的工况。
上述材料均不能同时满足各类设备对耐磨性、耐腐蚀性和机械强度的要求；进口特种陶瓷设备的使用寿命虽然较长，但是价格高、导致运行和生产的成本高，且零部件的供应和维修周期长，满足不了广大用户急需。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述缺陷，提供一种铸造碳化硅，该材料耐磨性好、耐化学腐蚀性强、机械强度高，使用温度为-20~100℃,适用于固液、固气两相介质输送设备，用来输送含固量(硬质、软质颗粒不限，颗粒粒度≤1mm)不超过60%的浆液。该材料可以耐浓度80%以下硫酸，50%以下硝酸，各种浓度的盐酸以及各种碱溶液的腐蚀。
为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：
铸造碳化硅复合材料含有以下重量份数的组分：
碳化硅 60-65份、玻璃短纤维 0.5-1.0份、氧化铝粉1.5-2.5份、碳纤维0.8-1.2份、粘接剂30-40份。
还含有以下重量份数的添加剂：
稀释剂: 3-6份
促进剂：0.45-1.2份
流平剂：0.09-0.28份
改性剂：0.9-2份
偶联剂：0.9-2份
固化剂：19.5-30份
增韧剂：4.5-10份
消泡剂：0.03-0.24份
进一步，碳化硅不同粒度的重量份数配比如下：
10-20目 0.9-1.625份
20-40目 24-31.2份
40-60目 6-9.75份
100-120目 2.4-3.25份
进一步，所述的粘接剂是丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰胺树脂以及聚氨酯中的一种或两种；（其中环氧树脂是双酚-A型环氧树脂、双酚-F型环氧树脂、双酚-S型环氧树脂）。
进一步，稀释剂为活性稀释剂和非活性稀释剂；活性稀释剂是丁基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、已二醇二缩水甘油醚中的一种；所述的非活性稀释剂是甲苯、乙醇、丙酮、丁醇、二丁酯中的一种。
进一步，所述的促进剂是DMP-30、三乙醇胺、苄基二甲胺、三苯基磷、有机脲类（如：双氰胺）、 AC-2011、咪唑类环氧固化促进剂（如：2-甲基咪唑）、DBU复合盐环氧树脂促进剂（如：1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯）中的一种或二种。
进一步，所述的流平剂是非离子聚氨酯类缔合型（如Levelling 620）或聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体（如BYK-333）中的一种或二种。
进一步，所述的改性剂是651聚酰胺、氮化硅粉中的一种或二种。
进一步，所述的偶联剂是硅烷偶联剂（如：甲氧基硅烷）、钛酯类偶联剂（如：四异丙基钛酸酯）、铬络合物偶联剂（如：甲基丙烯酸氯化铬络合物）或铝酸化合物偶联剂（如：铝酸锆）中的一种或二种。
进一步，所述的增韧剂是聚硫橡胶、氨基甲酸酯预聚物(如:聚氨基甲酸酯)、改性聚醚(如:有机硅改性聚醚)中的一种或二种。
本发明在原料的选择上需要考虑材料的具体用途和工作环境对材料性能的要求，据此确定原料种类和配比。碳化硅的强度、硬度、耐磨性和化学稳定性均较高，是常用的耐磨材料，因此以碳化硅为主要无机填料。为了进一步增强制品的强度和耐磨性以满足设备对材料的要求，用氧化铝代替部分碳化硅。
粘接剂即能起到粘接无机填料的作用，又必须满足浇铸工艺。选择热固性树脂作为粘接剂，因其固化方便、收缩率低，在固化后，由于分子间交联，形成网状结构，因此机械强度高、刚性大、硬度高、耐高温、不易燃、制品尺寸稳定性好，但性脆。因而在成型为制品前，需要在热固性树脂中加入各种增强增韧材料，如有机增韧剂、纤维和纳米氧化物等。本发明将以碳化硅颗粒为主的无机填料加入到树脂体系中，可以结合碳化硅和树脂的优点，扬长避短，制造出耐磨性好、化学稳定性强、韧性好、机械强度高、可以进行机加工的铸造碳化硅复合材料。
本发明铸造碳化硅复合材料的制备步骤如下:
a 、无机填料的混合
称量碳化硅、玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维，先将玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维预混3min，再加入碳化硅颗粒中，充分混合10-15min。
b、 树脂的稀释
按比例将树脂和活性稀释剂或非活性稀释剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀。将稀释好的树脂温度降至50±3℃，将称量好的增韧剂加入到树脂中均匀搅拌。
c、添加剂的配制
按上述比例将偶联剂、促进剂、流平剂、改性剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀，高速搅拌60min，使各种添加剂充分混合。
d、浆料制备
将称量好的消泡剂加入b步骤制备的稀释好的树脂中；然后再加入混合好的添加剂，再加入固化剂，最后加入预热至50℃的无机填料，继续搅拌30min，搅拌同时要进行抽真空至≤133Pa 。
混合好的浆料具有静置3h不分层的优点，因此用该浆料生产的产品有充足的浇铸时间及预固化时间。
e、真空浇铸
模具选用钢模，其加工精度要高，如需要，可以预置碳化硅元件或金属元件。模具使用前，先用洁净的丝绢沾上丙酮或酒精擦去模具上的灰尘和油渍，用密封胶密封所有缝隙。密封胶可以采用耐高温橡胶条。再用丝绢将脱模剂（可选用硅油、硅脂、改性硅油、石油润滑脂、聚乙烯醇其中之一。）均匀的涂于模具表面，便于产品的脱模。将浇铸浆料注入模具中。最后将模具固定在振动平台上，开动振动机，使浆料自然流平、定型。浇铸时控制的参数如下：
真空度 ≤133Pa
浇注速度：1小时内完成浇铸操作
温度：50-70℃
震动频率：200HZ
f、预固化
将成型后的产品连同模具放入固化箱内，在80~110℃温度下进行预固化，时间为6-8小时。
g、脱模
预固化后的半成品冷却到40℃左右，脱模。
h、固化
脱模后的半成品继续放入固化箱内烘烤，进行二次固化，温度为110-140℃，时间为6-10小时，得铸造碳化硅复合材料。
本发明的优点是使碳化硅复合材料具有优良的耐磨性和耐化学腐蚀性，较高的强度，以及具有纤维和纳米氧化物的特殊性质。采用真空浇铸和二次固化工艺，制备出综合各种材料优点的铸造碳化硅材料，该材料具有耐磨性好、化学稳定性强、韧性好、机械强度高、可以进行机加工等优点。可以制成形状复杂的衬里，满足生产需要，替代进口产品，降低生产成本，提高生产的安全可靠性。
附图说明
图1为铸造碳化硅制品放大500倍的显微结构图。
具体实施方式
图1中:
1.粘接剂
2.碳化硅
3.粘接剂深入到碳化硅颗粒中间
4.碳化硅颗粒深入到粘接剂中间
5.平面，抛光碳化硅晶粒。
实施例1
铸造碳化硅复合材料含有以下重量份数的组分：
碳化硅 60份 玻璃短纤维 0.5份 氧化铝粉1.5份
碳纤维0.8份 丙烯酸树脂30份
还含有以下重量份数的添加剂：
活性稀释剂丁基缩水甘油醚: 3份
促进剂DMP-30： 0.45份
流平剂Levelling 620： 0.09 份
改性剂651聚酰胺： 0.9 份
偶联剂甲氧基硅烷： 0.9 份
固化剂甲基四氢苯酐： 19.5份
增韧剂聚硫橡胶： 4.5份
消泡剂BX-841： 0.03份
不同粒度的碳化硅重量份数配比如下：
10-20目 0.9份
20-40目 24份
40-60目 6份
100-120目 2.4份
制备方法如下:
a 、无机填料的混合
称量碳化硅、玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维，先将玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维预混3min，再加入碳化硅颗粒中，充分混合10-15min。
b、 树脂的稀释
按比例将树脂和活性稀释剂或非活性稀释剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀。将稀释好的树脂温度降至50±3℃，将称量好的增韧剂加入到树脂中均匀搅拌。
c、添加剂的配制
按上述比例将偶联剂、促进剂、流平剂、改性剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀，高速搅拌60min，使各种添加剂充分混合。
d、浆料制备
将称量好的消泡剂加入b步骤制备的稀释好的树脂中；然后再加入混合好的添加剂，再加入固化剂，最后加入预热至50℃的无机填料，继续搅拌30min，搅拌同时要进行抽真空至≤133Pa 。
混合好的浆料具有静置3h不分层的优点，因此用该浆料生产的产品有充足的浇铸时间及预固化时间。
e、真空浇铸
模具选用钢模，其加工精度要高，如需要，可以预置碳化硅元件或金属元件。模具使用前，先用洁净的丝绢沾上丙酮或酒精擦去模具上的灰尘和油渍，用密封胶密封所有缝隙。密封胶可以采用耐高温橡胶条。再用丝绢将脱模剂（可选用硅油、硅脂、改性硅油、石油润滑脂、聚乙烯醇其中之一。）均匀的涂于模具表面，便于产品的脱模。将浇铸浆料注入模具中。最后将模具固定在振动平台上，开动振动机，使浆料自然流平、定型。浇铸时控制的参数如下：
真空度 ≤133Pa
浇注速度：1小时内完成浇铸操作
温度：50～70℃
震动频率：200HZ
f、预固化
将成型后的产品连同模具放入固化箱内，在80-110℃温度下进行预固化，时间为6-8小时。
g、脱模
预固化后的半成品冷却到40℃左右，脱模。
h、固化
脱模后的半成品继续放入固化箱内烘烤，进行二次固化，温度为110-140℃，时间为6-10小时，得铸造碳化硅复合材料。
固化后得到的铸造碳化硅材料可以根据需要的精度进行机加工处理，如车削、打磨等。如果产品的形状非常复杂，可进行多次浇铸、固化、机加工。最后进行产品外形尺寸检验，漆装，包装入库。
实施例2
铸造碳化硅复合材料含有以下重量份数的组分：
碳化硅65份 玻璃短纤维 1.0份 氧化铝粉2.5份
碳纤维1.2份 双酚-A型环氧树脂、双酚-F型环氧树脂各20份
还含有以下重量份数的添加剂：
非活性稀释剂乙醇: 6份
促进剂三乙醇胺： 0.12份
流平剂BYK-333： 0.28份
改性剂氮化硅粉： 2份
偶联剂四异丙基钛酸酯： 2份
固化剂甲基四氢苯酐： 30份
增韧剂聚氨基甲酸酯：10份
消泡剂BX-841： 0.24份
不同粒度的碳化硅重量份数配比如下：
10-20目 1.625份
20-40目 31.20份
40-60目 9.75份
100-120目 3.25份
制备方法同实施例1。
实施例3：
铸造碳化硅复合材料含有以下重量份数的组分：
碳化硅62份 玻璃短纤维 0.8份 氧化铝粉2.0份
碳纤维1.0份 酚醛树脂20份 聚氨酯15份
还含有以下重量份数的添加剂：
活性稀释剂聚丙二醇二缩水甘油醚: 4.2份
促进剂2-甲基咪唑：0.47份、AC-2011 0.3份
流平剂BYK-333:0.1份、Levelling 620 0.075 份
改性剂651聚酰胺:0.7氮化硅粉：0.7份
偶联剂甲基丙烯酸氯化铬:0.7、铝酸锆： 0.7份
固化剂甲基四氢苯酐： 24.5份
增韧剂聚氨基甲酸酯:3.5、有机硅改性聚醚： 3.5份 。
消泡剂BX-841： 0.105份
不同粒度的碳化硅重量份数配比如下：
10-20目 1.24份
20-40目 27.28份
40-60目 8.06份
100-120目 2.852份
制备方法同实施例1。
表一 铸造碳化硅复合材料性能指标
| 项目 | 性能指标 | 测试方法 |
| 抗拉强度（MPa） | ≥30 | GB/T 2567-2008 |
| 抗压强度（MPa） | ≥80 | GB/T 5072-1998 |
| 抗折强度（MPa） | ≥55 | GB/T 2567-2008 |
| 常温耐磨度（cm3） | ≤0.55 | GB/T 18301-2001 |
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：各组分含量的重量份数如下：
碳化硅 60-65份、玻璃短纤维 0.5-1.0份、氧化铝粉1.5-2.5份、碳纤维0.8-1.2份、粘接剂30-40份;
添加剂含量的重量份数如下：
稀释剂：3-6份
促进剂：0.45-1.2份
流平剂：0.09-0.28份
改性剂：0.9-2份
偶联剂：0.9-2份
固化剂：19.5-30份
增韧剂：4.5-10份
消泡剂：0.03-0.24份 。
2.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述碳化硅不同粒度的重量份数配比如下：
10-20目 0.9-1.625份
20-40目 24-31.2份
40-60目 6-9.75份
100-120目 2.4-3.25份。
3.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的粘接剂是丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰胺树脂以及聚氨酯中的一种或两种。
4.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的稀释剂为活性稀释剂和非活性稀释剂；活性稀释剂是丁基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、已二醇二缩水甘油醚中的一种；所述的非活性稀释剂是甲苯、乙醇、丙酮、丁醇、二丁酯中的一种。
5.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的促进剂是DMP-30、三乙醇胺、苄基二甲胺、三苯基磷、有机脲类、 AC-2011、咪唑类环氧固化促进剂、DBU复合盐环氧树脂促进剂中的一种或二种。
6.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的流平剂是非离子聚氨酯类缔合型或聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体中的一种或二种。
7.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的改性剂是651聚酰胺、氮化硅粉中的一种或二种。
8.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的偶联剂是硅烷偶联剂、钛酯类偶联剂、铬络合物偶联剂或铝酸化合物偶联剂中的一种或二种。
9.如权利要求1所述的一种铸造碳化硅复合材料，其特征在于：所述的增韧剂是聚硫橡胶、氨基甲酸酯预聚物、改性聚醚中的一种或二种。
10.一种铸造碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于：制备步骤如下:
a 、无机填料的混合
称量碳化硅、玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维，先将玻璃短纤维、氧化铝粉、碳纤维预混3min，再加入碳化硅颗粒中，充分混合10-15min；
b、树脂的稀释
按比例将树脂和活性稀释剂或非活性稀释剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀；将稀释好的树脂温度降至50±3℃，将称量好的增韧剂加入到树脂中均匀搅拌；
c、添加剂的配制
按上述比例将偶联剂、促进剂、流平剂、改性剂称量好，加入搅拌罐中搅拌均匀，高速搅拌60min，使各种添加剂充分混合；
d、浆料制备
将称量好的消泡剂加入b步骤制备的稀释好的树脂中；然后再加入混合好的添加剂，再加入固化剂，最后加入预热至50℃的无机填料，继续搅拌30min，搅拌同时要进行抽真空至≤133Pa ；
e、真空浇铸
模具选用钢模，其加工精度要高，如需要，可以预置碳化硅元件或金属元件；模具使用前，先用洁净的丝绢沾上丙酮或酒精擦去模具上的灰尘和油渍，用密封胶密封所有缝隙；密封胶可以采用耐高温橡胶条；再用丝绢将脱模剂均匀的涂于模具表面，便于产品的脱模；将浇铸浆料注入模具中；最后将模具固定在振动平台上，开动振动机，使浆料自然流平、定型；浇铸时控制的参数如下：
真空度 ≤133Pa
浇注速度：1小时内完成浇铸操作
温度：50～70℃
震动频率：200HZ
f、预固化
将成型后的产品连同模具放入固化箱内，在80-110℃温度下进行预固化，时间为6-8小时；
g、脱模
预固化后的半成品冷却到40℃左右，脱模；
h、固化
脱模后的半成品继续放入固化箱内烘烤，进行二次固化，温度为110-140℃，时间为6-10小时，得铸造碳化硅复合材料。
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