CN103739287A - 一种基于红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沙漠红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相的制备方法，采用如下步骤实施：步骤1，用氨水对干燥的红柳进行抽提处理；步骤2，对步骤1所得红柳利用高猛酸钾溶液进行氧化处理；步骤3，对步骤2所得红柳利用有机溶剂进行浸渍，并快速蒸发有机溶剂；步骤4，对步骤3所得红柳进行炭化处理；步骤5，对步骤4所得炭化物进行真空负压浸渍有机硅树脂溶液；步骤6，对步骤5所得浸渍有机硅树脂的炭化物进行高温烧结；在保存了红柳内部部分化学成分、多孔结构形态的同时，增强了复合材料的抗冲蚀性、硬度等指标；本发明制备的仿生复合材料增强相具有消振、减摩耐磨的特点，能够为仿生抗冲蚀复合材料提供更好地选择和更多样化的思路。

Description

一种基于红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相的制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿生抗冲蚀材料制备方法，特别涉及一种基于沙漠红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相的制备方法。

技术背景

冲蚀磨损是磨损的一种，广泛存在于现代工业生产中，如矿山、电厂等灰浆泵过流部件和管道及阀门的磨损。这些易磨损件在工作过程中不仅要承受固体粒子的冲蚀与切削作用，而且还要承受液体介质的腐蚀作用及高温的作用，工作环境极其恶劣，因而使这些耐磨件的使用寿命较低。为了追求更高品质的抗冲蚀材料，人们进行了各种各样的探索和研究。抗冲蚀材料制备的方法有很多：一，可以采用复合材料，例如申请号为“200810031088.8”、发明名称为“一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料”的发明专利，以超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅改性制得用于水轮机过流部件的耐冲蚀复合材料；以及申请号为“201110306220.3”、发明名称为“一种Al₂O₃颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法”的发明专利，通过把不同粒度的Al₂O₃颗粒很好的镶嵌在钢基体中制备低应力磨料冲蚀磨损工况下使用的表面复合耐磨材料；二，采用陶瓷材料，例如申请号为“201110448103.0”、发明名称为“一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl₁₁O₁₉-ZrO₂复相陶瓷材料的制备方法”的发明专利，在氧化钇稳定的氧化锆中添加LnMgAl₁₁O₁₉(Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd)片状颗粒，通过调整LnMgAl₁₁O₁₉片状颗粒的加入量，增加材料的断裂韧性，提高耐高温冲蚀磨损性能，经过混料、成型和高温烧结过程制备得到；三，增强表面涂层，例如申请号为“201210166189.2”发明名称为“一种氧化物颗粒镶嵌的碳化硅涂层及其制备方法”的发明专利，将氧化物颗粒弥散分布在碳化硅涂层中；四，改变表面形态及添加耐磨层，例如申请号为“201310297264.3”、发明名称为“一种齿穴防冲蚀钢体PDC钻头”的发明专利，将齿穴前端沿齿穴边缘开设穴槽，穴槽内敷焊耐磨层。

当今世界正面临越来越严峻的环境问题，材料研究和生产需要消耗矿产、能源，带来严重的环境污染。自然界在长期进化演变过程中，形成了各种完美独特的化学成分、结构组态及优异性能。受自然界的启发，材料研究者试图揭示生物系统中的成分组成、结构特征与形成机制，从而进一步应用于材料设计与制备。为了达到不同应用性能的要求，研究者对天然材料进行了不同的工艺处理，例如，组织密实化及多孔结构优化等。这一研究领域的发展体现了人类向大自然学习层次的不断深入，即借鉴自然界经亿万年优化的生物自身多层次、多维的本征结构和形貌作为模板，借助人工辅助处理，通过生物结构和形态的遗传，化学组分的变异，制备既保持自然界生物精细形貌和结构，又有人为赋予特性和功能的新型材料。现有以竹子、木材和稻草等制备优异功能陶瓷材料的方法，只制备了SiC、Si/SiC/C、SiOC/C、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SnO₂等单一陶瓷材料。

红柳作为天然的有机高分子体，其主要成分是纤维素、半纤维素、木质素以及可提取树脂、挥发性油类等，重要的是其生活在干旱的盐碱地，内部含有大量的草酸钙、碳酸钙等成分。因此，本发明通过仿沙漠红柳制备的仿生抗冲蚀复合材料增强相包括细小均匀分布的CaO颗粒和SiC/C陶瓷材料，能够在一定程度上实现复合材料吸振性抗冲蚀、耐磨性抗冲蚀和增加结构抗冲蚀，同时减小环境负担，具有环境协调性。

发明内容

本发明的目的是运用沙漠红柳长期在风沙冲蚀环境中进化、优化的特殊化学成分以及多层次、多维的本征结构和形貌作为模板，制备仿生抗冲蚀复合材料的增强相材料。

本发明所采用的技术方案按照如下步骤实施：

步骤1，用氨水对干燥的红柳进行抽提处理：

选取在干旱的盐碱地生长的具有多孔结构的红柳，在干燥箱中110℃的条件下干燥24h，然后用浓度为3～5%的氨水进行浸泡6～10h，捞出后用去离子水洗净，并于干燥箱中80～90℃的条件下再次干燥24h。

步骤2，对步骤1所得红柳利用高猛酸钾溶液进行氧化处理：

用浓度为0.5～1.0%的高锰酸钾溶液浸泡步骤1所得的红柳1～6h，用去离子水清洗，并于干燥箱中80～90℃的条件下干燥24h。

步骤3，对步骤2所得红柳利用有机溶剂进行浸渍，并快速蒸发有机溶剂：

利用浓度为95%的乙醇有对步骤2所得红柳浸渍24～48h，并于干燥箱中80～90℃的条件下干燥1h快速蒸发乙醇。重复此步骤1～5次。

步骤4，对步骤3所得红柳进行炭化处理：

在220-240℃下，对步骤3所得红柳保温2-4h，进行炭化处理，并重复步骤3，1～5次。

步骤5，对步骤4所得炭化物进行真空负压浸渍有机硅树脂溶液：

在真空度为500～1000Pa、温度为30～60℃下，对步骤4所得炭化物进行浸渍有机硅树脂溶液，其在20℃时黏度为6～25mPa·s，固体含量为27.5～32.5%，保压时间为3h，然后在干燥箱中80～90℃的条件下干燥24h。此步骤重复1～5次。

步骤6，对步骤5所得浸渍有机硅树脂的炭化物进行高温烧结：

在真空度为150～800Pa、温度为1400～1600℃下，对步骤5所得的浸渍硅树脂的炭化物进行高温烧结，保温时间为5～10h。

这样，基于红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相即细小均匀分布的CaO颗粒和SiC/C陶瓷材料就被制备出来。

本发明的有益效果是：在保存了红柳内部部分化学成分、多孔结构形态的同时，增强了复合材料的抗冲蚀性、硬度等指标；本发明制备的仿生复合材料增强相具有消振、减摩耐磨的特点，能够为仿生抗冲蚀复合材料提供更好地选择和更多样化的思路。

附图说明

图1为本发明的具体实施流程。

图2为红柳的微观组织结构。

图3为红柳炭化处理后的微观组织结构。

图4为烧结后的仿生抗冲蚀复合材料增强相的微观结构。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，

步骤1：选取生长在盐碱地的含有大量草酸钙、碳酸钙等成分、具有多孔结构的红柳进行预处理，具体方法为：将红柳切为20×10×3mm³块体，先在5%的氨水中100℃煮8小时，以进行抽提预处理，随后用去离子水洗净，并于80℃烘箱内干燥24小时。

步骤2：用浓度为0.5%的高锰酸钾溶液浸泡步骤1所得的红柳1h，用去离子水清洗，并于干燥箱中80℃的条件下干燥24h。

步骤3：利用酒精对步骤2所得红柳浸渍24h，并于干燥箱中在80℃的条件下干燥1h快速蒸发酒精。重复此步骤5次。

步骤4：将真空炉升温到200℃，然后将温度按每小时提高10℃的速度在240℃下，对步骤3所得红柳保温4h，进行炭化处理。并重复步骤3，共5次

步骤5：在真空度为800Pa、温度为50℃下，对步骤4所得炭化物进行浸渍有机硅树脂溶液，其在20℃时黏度为10mPa·s，固体含量30%，保压时间为3h，然后在干燥箱中80℃的条件下干燥24h。重复此步骤5次。

步骤6：在真空度为800Pa、温度为1500℃下，对步骤5所得的浸渍硅树脂的炭化物进行高温烧结，保温时间为5h。

最后，基于红柳仿生抗冲蚀复合材料增强相材料被烧结出来，其微观结构如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于沙漠红柳的仿生抗冲蚀复合材料增强相的制备方法，其特征在于：采用如下步骤实施：

步骤1，用氨水对干燥的红柳进行抽提处理：

选取在干旱的盐碱地生长的具有多孔结构的红柳，在干燥箱中110℃的条件下干燥24h，然后用浓度为3～5%的氨水进行浸泡6～10h，捞出后用去离子水洗净，并于干燥箱中80～90℃的条件下再次干燥24h；

步骤2，对步骤1所得红柳利用高猛酸钾溶液进行氧化处理：

用浓度为0.5～1.0%的高锰酸钾溶液浸泡步骤1所得的红柳1～6h，用去离子水清洗，并于干燥箱中80～90℃的条件下干燥24h；

步骤3，对步骤2所得红柳利用有机溶剂进行浸渍，并快速蒸发有机溶剂：

利用浓度为95%的乙醇有对步骤2所得红柳浸渍24～48h，并于干燥箱中80～90℃的条件下干燥1h快速蒸发乙醇。重复此步骤1～5次；

步骤4，对步骤3所得红柳进行炭化处理：

在220-240℃下，对步骤3所得红柳保温2-4h，进行炭化处理，并重复步骤3，1～5次；

步骤5，对步骤4所得炭化物进行真空负压浸渍有机硅树脂溶液：

在真空度为500～1000Pa、温度为30～60℃下，对步骤4所得炭化物进行浸渍有机硅树脂溶液，其在20℃时黏度为6～25mPa·s，固体含量为27.5～32.5%，保压时间为3h，然后在干燥箱中80～90℃的条件下干燥24h。此步骤重复1～5次；

步骤6，对步骤5所得浸渍有机硅树脂的炭化物进行高温烧结：

在真空度为150～800Pa、温度为1400～1600℃下，对步骤5所得的浸渍硅树脂的炭化物进行高温烧结，保温时间为5～10h。

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