CN103589184A - 一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料及其制作泵部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：碳化硅颗粒：65～80；树脂：10～25；固化剂：3～8；纤维：2～8。本发明含纤维的碳化硅/树脂复合材料采用纤维、碳化硅、树脂、固化剂组合配用，以树脂为基体、加入碳化硅提高树脂材料的耐磨性，由于添加纤维，显著增加了泵部件的抗拉强度和抗弯曲强度等力学性能，完全满足冶金和化工领域对泵的需求；本发明制备工艺简单、生产的泵部件不仅具有较高的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性能，而且还具有足够的抗拉强度和抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别是涉及一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料及其制作泵部件的方法。
背景技术
随着现代经济和工业科技的发展，泵不仅只用来输送各种液体状态介质，现代工业用泵要求输送各种带固体颗粒的物料，该种流体称为固液两相流。选矿、冶金等工业使用的脱硫泵、渣浆泵、泥浆泵等化工设备，过流部件不仅要承受固体颗粒的磨蚀，也要受到化学物质与金属产生的电化学腐蚀，造成该类泵过流部件磨损大，使用寿命短，部件需求量大，运行成本较高。
国内现有的泵多数为金属泵，也有陶瓷泵和塑料泵。金属泵由于其主要成分为有色金属，价格高昂，并且在稀硫酸、含氯离子等卤族元素的强氧化介质中同样发生腐蚀，不能满足工矿条件的需要，使用寿命也很短；陶瓷材质虽然具有卓越的防腐和耐磨性能，但是由于现今陶瓷的设计及生产经验不足，泵设备生产厂家几乎不能做到全陶瓷材质的叶轮和泵体，所以现今的陶瓷泵制造也只是在泵过流部件表面涂一层陶瓷衬里，但局限于陶瓷和金属材质之间较弱的粘接性能，使得泵生产厂家无法从根本上解决叶轮和泵体的防腐和抗磨性等难题；氟塑料、高分子量的聚乙烯等工程塑料材料尽管有优异的耐腐蚀性能，但本身材料机械强度不高，一般是和金属材料进行复合使用，由于此类材料和金属材料的热膨胀系数不一样，在温度比较高的介质中会造成塑料和金属材料的剥离，从而也会使泵零件损坏，因此限制了此材料的使用温度，并且塑料材料本身较软，不能用于含固体颗粒物较多的介质使用，此材料一般为模压成型，高昂的模具费用也限制了此材料用于大泵的制造。
可见，以上材料都存在一定的不足，不能完全满足冶金和化工领域的需求。复合材料由于综合性能优于原组成材料，因此成为研究的热点。以热固性树脂为基体的复合材料，具有良好的物理化学性能、耐冲蚀，并且制备工艺简单。为了提高热固性树脂材料的耐磨性和增加韧性，在热固性树脂中加入部分无机非金属材料，如中国专利CN102585746A公开了一种金属耐磨修补复合涂层材料，包含硅烷偶联剂、环氧树脂、二异戊基萘、碳化硅颗粒、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的助剂；和由硅烷偶联剂、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、三氧化二铝粉体和气相白炭黑混合而制成的固化剂，虽然通过对无机粉体填充改良热固性树脂涂层性能，使其具有优异的耐磨性，但它只是制备了高耐磨性的涂层，对整体部件的抗压性、硬度、抗折性没有任何改变。中国专利CN102408677B公开了一种SiC/环氧树脂复合材料以及使用其制造泵构建的方法，该SiC/环氧树脂复合材料是由SiC颗粒、环氧树脂和固化剂、偶联剂组成，虽然采用此复合材料制备的是整体的泵部件，且部件具有高耐磨和耐腐蚀性，但此种部件在抗拉强度、抗冲击性能方面仍存在不足，面对有大颗粒物的复杂工况仍然存在使用可靠性差、使用寿命短等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种具有高抗拉强度、高抗冲击性能、高耐磨、高耐腐蚀和耐高温特性的含纤维的碳化硅/树脂复合材料，该含纤维的碳化硅/树脂复合材料用于制备泵部件，包括泵体和泵叶轮等过流部件；本发明的另一目的在于提供一种利用含纤维的碳化硅/树脂复合材料制备泵部件的方法，该制备工艺简单、生产的泵部件不仅具有较高的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性，而且还具有高抗拉强度和抗冲击能力，整机的可靠性和使用寿命都大幅延长。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 65～80；
树脂： 10～25；
固化剂： 3～8；
纤维： 2～8。
所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或聚酯纤维中的任意一种。
所述热固性树脂为乙烯基脂树脂、环氧树脂或聚酰亚胺树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
上述含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵部件的方法，它包括以下步骤：
S1.称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2.纤维的处理：将纤维在100～450℃温度下加热85～95min，再置于丙酮溶液中超声波清洗30～40min，用清水冲洗纤维并烘干备用；
S3.真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌40～50min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌20～30min，得到混合浆料；搅拌器真空度为-0.03～-0.06MPa；S3.注模成型：利用高位或者压缩空气的方式将混合浆料通过管道注入真空度≤-0.06MPa泵部件模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至60～90℃，并振动模具3～3.5h；S4.加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具在55～65℃温度下干燥5.5～6h或置于22～25℃温室中干燥18～25h，干燥后将部件脱模，得泵部件毛坯，再将泵部件毛坯加热至100～180℃固化2～3h或置于22～25℃温室中固化38～45h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵部件。
本发明具有以下优点：本发明的含纤维的碳化硅/树脂复合材料采用纤维、碳化硅、树脂、固化剂组合配用，以树脂为基体、加入碳化硅提高树脂材料的耐磨性，由于添加纤维，显著增加了泵部件的抗拉强度和弯曲强度，完全满足冶金和化工领域对泵的需求；本发明制备工艺简单、生产的泵部件不仅具有较高的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性，而且还具有高抗拉强度和抗冲击能力，通过实验发现其抗拉强度和抗弯曲强度比未添加纤维的复合材料提高了40～50%，取得了非常明显的力学性能效果；在工业终端试验中，同样的工况条件下，其过流部件使用寿命大约提高50～100%，有明显的经济效益和很高的性价比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 65；
树脂： 25；
固化剂： 8；
碳纤维： 2。
所述纤维为玻璃纤维；所述树脂为乙烯基脂树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
上述含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵体的方法，它包括以下步骤：
S1.称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2.纤维的处理：将玻璃纤维在150℃温度下加热85min，再置于丙酮溶液中超声波清洗30min，用清水冲洗纤维并烘干；
S3.真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌40min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌40min，得到混合浆料；真空度为-0.03MPa；
S3.注模成型：利用高位的方式将混合浆料通过管道注入真空度为-0.06MPa泵体模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至30℃，并振荡模具3h；
S4.加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具在55℃温度下干燥6h，干燥后将部件脱模，得泵体毛坯，再将泵体毛坯加热至170℃固化3h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵体。
实施例2：一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 80；
树脂： 12；
固化剂： 3；
碳纤维： 5。
所述纤维为碳纤维，所述树脂为聚酰亚胺树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
上述含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵叶轮的方法，它包括以下步骤：
S1.称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2.纤维的处理：将碳纤维在400℃温度下加热95min，再置于丙酮溶液中超声波清洗40min，用清水冲洗纤维并烘干；
S3.真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌30min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌45min，得到混合浆料；其中，所述真空搅拌器的温度设置为50℃，真空度为-0.06MPa；
S3.注模成型：利用压缩空气的方式将混合浆料通过管道注入真空度为-0.07MPa泵叶轮模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至40℃，并振动模具3.5h；
S4.加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具在65℃温度下干燥6h，干燥后将部件脱模，得泵叶轮毛坯，再将泵叶轮毛坯加热至160℃固化3h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵叶轮。
实施例3：一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 70；
树脂： 15；
固化剂： 7；
聚酯纤维： 8。
所述纤维为碳纤维；所述树脂为环氧树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
上述含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵叶轮的方法，它包括以下步骤：
S1.称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2.纤维的处理：将碳纤维在400℃温度下加热95min，再置于丙酮溶液中超声波清洗40min，用清水冲洗纤维并烘干；
S3.真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌20min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌30min，得到混合浆料；真空度为-0.06MPa；
S3.注模成型：利用压缩空气的方式将混合浆料通过管道注入真空度为-0.08MPa泵叶轮模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至50℃，并振动模具3h；
S4.加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具置于65℃温室中干燥8h，干燥后将部件脱模，得泵叶轮毛坯，再将泵叶轮毛坯置于120℃温室中固化15h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵叶轮。
实施例4：一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 78；
树脂： 10；
固化剂： 5；
纤维： 7。
所述纤维为聚酯纤维；所述树脂聚酰亚胺树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
上述含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵体的方法，它包括以下步骤：
S1.称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2.纤维的处理：将聚酯纤维在100℃温度下加热90min，再置于丙酮溶液中超声波清洗50min，用清水冲洗纤维并烘干；
S3.真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌30min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌30min，得到混合浆料；真空度为-0.06MPa；
S3.注模成型：利用高位或者压缩空气的方式将混合浆料通过管道注入真空度为-0.08MPa泵体模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至60℃，并振荡模具2h；
S4.加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具置于65℃温室中干燥4h，干燥后将部件脱模，得泵体毛坯，再将泵体毛坯加热置于160℃温室中固化4h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵体。
实施例5：力学性能测试
采用常规实验方法测定实施例1、实施例2、实施例3、实施例4及未含纤维的碳化硅树脂复合材料制作的泵部件的弯曲强度、弹性模量、拉伸强度、最大值行程及最大值行程应变各项值；其中，未含纤维的碳化硅树脂复合材料的原料及重量比为：碳化硅颗粒：78；树脂：17；固化剂：5。测试结果如表1所示；
表1：含纤维和未含纤维的碳化硅/树脂复合材料力学性能比较
由表1可知：含有纤维的碳化硅/树脂复合材料制作的泵部件其弯曲强度、弹性模量、拉伸强度、最大值行程及最大值行程应变平均值分别为75.5Mpa、12.275Gpa、32.725Mpa、0.835mm、0.735%，而不含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作的泵部件其弯曲强度、弹性模量、拉伸强度、最大值行程及最大值行程应变值分别为53.2Mpa、7.8Gpa、22.6Mpa、1.12mm、0.84238%。结果表明：含有纤维的碳化硅/树脂复合材料制作的泵部件比不含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作的泵部件具有明显的力学性能效果，其抗拉伸和弯曲强度约提高40～50%。
Claims (4)
1.一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，它包括碳化硅颗粒、树脂、固化剂，其特征在于，它还包括纤维，所述100份含纤维的碳化硅/树脂复合材料各原料的重量份为：
碳化硅颗粒： 65～80；
树脂： 10～25；
固化剂： 3～8；
纤维： 2～8。
2.根据权利要求1所述的一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，其特征在于，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或聚酯纤维中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料，其特征在于，所述树脂为乙烯基脂树脂、环氧树脂或聚酰亚胺树脂；所述固化剂为胺类固化剂。
4.根据权利要求1所述的一种含纤维的碳化硅/树脂复合材料制作泵部件的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1. 称量：按上述比例称取各原料，备用；
S2. 纤维的处理：将纤维在100～450℃温度下加热85～95min，再置于丙酮溶液中超声波清洗30～40min，用清水冲洗纤维并烘干备用；
S3. 真空搅拌：将树脂和固化剂加至真空搅拌器，搅拌40～50min后加入碳化硅颗粒和步骤S2处理过的纤维，再次搅拌20～30min，得到混合浆料；搅拌器真空度为-0.03～-0.06MPa；
S3. 注模成型：利用高位或者压缩空气的方式将混合浆料通过管道注入真空度≤-0.06MPa泵部件模具中，使浆料充满模具，注入完毕后加热模具至60～90℃，并振动模具3～3.5h；
S4. 加热固化：将步骤S3中已成型的部件及模具在55～65℃温度下干燥5.5～6h或置于22～25℃温室中干燥18～25h，干燥后将部件脱模，得泵部件毛坯，再将泵部件毛坯加热至100～180℃固化2～3h或置于22～25℃温室中固化38～45h，制得含纤维的碳化硅/树脂复合材料泵部件。
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