CN103936426A - 陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，由制备浆料、制备混合料、脱水、制备坯件、焙烧步骤组成。本发明在原料配比中，采用微米级晶须和纳米级颗粒作为增强相，完成复合材料预制件的制作。使之应用在随后的复合材料的制作中，可以通过合理的工艺添加入基体合金中，改善原有基体合金的组织结构，使原有的基体合金性能得以彻底的改善，达到铸铁或钢的某些特殊性。该方法具有成本低、效率高、简单易行等优点,适合工业化大规模生产制作。

Description

陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法

技术领域

本发明属于用于材料技术领域，具体涉及到陶瓷相多组元复合材料预制件。

背景技术

近年来随着汽车尾气排放标准逐渐严格，绿色环保低碳新型材料越来越多地引入到工业制作中。其中，金属基复合材料引起人们广泛的重视。微米级晶须和纳米级颗粒作为增强相，有效地添加入基体合金中，改善原有基体合金的组织结构，最终以一种新型材料的形式，以其独特的材料性能服务于工业生产。例如，陶瓷晶须可以有效地改善基体合金的强韧性，而直径为纳米的陶瓷颗粒可以改善合金微观组织结构中弥散强度，从而使相对较软的基体合金性能（例如，铝合金或镁合金）得以彻底的改善，材料的宏观和微观强度得以提高,使之达到铸铁或钢的某些特殊性能，并应用到工业生产中。

目前工业界传统的预制件制作方法是粉末冶金法，超声波震动法，机械搅拌法，真空冶炼法和干态压制法，但是这些方法都有一个共同的缺陷，即无法有效地解决在预制件的制作过程中合理地控制纳米颗粒和晶须的均匀分散性问题。其中，晶须和纳米颗粒是完全不同于以往的毫米级和微米级陶瓷颗粒和短纤的新型增强材料,他们自身具有独特的自我聚合和结团性，仅仅通过简单的化学试剂处理和外界机械搅拌,基本上不能将他们均匀分散开来.这些是困扰工业界长期以来的制作过程中难以逾越的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、低成本、高效率并可广泛应用的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法。

解决上述问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：

1、制备浆料

将聚氧化乙烯3～10质量份加入到800～1300质量份的常温水中，搅拌1～3小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将陶瓷晶须50～120质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

上述的聚氧化乙烯的数均分子量为17～22万；陶瓷晶须是氧化铝陶瓷晶须、氧化硅陶瓷晶须、硅酸铝陶瓷晶须、石墨陶瓷晶须、氧化硼陶瓷晶须、氮化硅陶瓷晶须中的任意一种或它们之间的任意组合物。

2、制备混合料

将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物6～15质量份，水玻璃3～10质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒10～40质量份，制备成混合料。

上述的陶瓷颗粒是氧化铝陶瓷颗粒、氧化硅陶瓷颗粒、碳陶瓷颗粒、碳化硼陶瓷颗粒中的任意一种或它们之间的组合物，其颗径是纳米级或者不同种类的纳米级颗粒的混合体。

3、脱水

将配置好的混合料，用孔径等于或小于陶瓷晶须直径的滤网包扎，采用离心法或加压或负压法过滤掉95%以上的水分。

4、制备坯件

将过滤掉水分的物料，置于成型模具中，在10～20MPA的压力下，压制成型，制成坯件。

5、焙烧

将制成的坯件，在工业用热处理炉内150～180℃烧结3～5小时，升温到1180～1250℃烧结4～7小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

在本发明的制备浆料步骤1中，将聚氧化乙烯优选3～10质量份加入到优选900～1200质量份的常温水中，搅拌1～3小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将优选50～100质量份陶瓷晶须加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

在本发明制备浆料步骤1中，将聚氧化乙烯最佳5质量份加入到最佳1000质量份的常温水中，搅拌3～5小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将陶瓷晶须最佳80质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

在本发明的制备混合料步骤2中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物优选8～12质量份，水玻璃5～8优选质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒优选15～25质量份，制备成混合料。

在本发明制备混合料步骤2中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物最佳10质量份，水玻璃最佳6质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒最佳20质量份，制备成混合料。

在本发明的焙烧步骤5中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内优选155～170℃烧结4～5小时，升温到优选1200～1250℃烧结4～6小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

在本发明的焙烧步骤5中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内最佳165℃烧结5小时，升温到最佳1220℃烧结5小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

在本发明的制备浆料步骤1中，陶瓷晶须的直径为微米级，长度与直径的比为20～500：1。

在本发明的制备混合料步骤2中，陶瓷颗粒的粒径为纳米级。

本发明采用聚乙烯醇在水溶液中充分溶解,并形成较长的分子链的特性,在机械搅拌的外力作用下,将原有的具有结团特征的微米晶须和纳米颗粒打散,同时利用聚乙烯醇分子链将其稳定隔离分散,最终均匀分布在特定的溶液中,随后排出相关多余的水分,在压力下完成陶瓷相多组元复合材料预制件的制作。不同等级的压力可以有效地调节和改变预制件中陶瓷可以和晶须所占的体积分数.从而在随后的复合材料的制作中,通过不同的增强相体积分数,改善复合材料的机械和物理性能.在原料配比中，采用微米级晶须和纳米级颗粒作为增强相，添加入基体合金中，改善原有基体合金的组织结构，使相对较软的基体合金性能得以彻底的改善，达到铸铁或钢的某些特殊性能。该方法具有成本低、效率高、简单易行等优点,适合工业化大规模生产制作。

具体实施方式

现结合实施例对本发明进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施方式。

实施例1

本实施例的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法由下述步骤组成：

1、制备浆料

将聚氧化乙烯5质量份加入到1000质量份的常温水中，搅拌3～5小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将氧化铝陶瓷晶须80质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，氧化铝陶瓷晶须的直径为微米级，长度与直径的比为20～500：1，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

2、制备混合料

将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物10质量份，水玻璃6质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入粒径是纳米级的氧化铝陶瓷颗粒20质量份，制备成混合料。

3、脱水

将配置好的混合料用孔径≤小于等于晶须直径的滤网包扎，采用离心法过滤掉95%以上的水分，也可采用加压法过滤掉95%以上的水分，还可采用负压法过滤掉95%以上的水分。

4、制备坯件

将过滤掉水分的物料，置于成型模具中，在15MPA的压力下，压制成型，制成坯件，压制坯件的具体压力可所根据制备陶瓷相多组元复合材料预制件的具体零件强度要求在5～25MPA范围内来具体确定。

5、焙烧

将制成的坯件，在工业用热处理炉内165℃烧结5小时，升温到1220℃烧结5小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例2

实施例中，在制备浆料步骤1中，将聚氧化乙烯3质量份加入到800质量份的常温水中，搅拌3～5小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将氧化铝陶瓷晶须50质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，该步骤的其他步骤与实施例1相同，制备成浆料待用。

在制备混合料步骤2中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物6质量份、水玻璃3质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入粒径是纳米级的氧化铝陶瓷颗粒10质量份，制备成混合料。

在焙烧步骤5中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内150℃烧结5小时，升温到1180℃烧结7小时，随炉自然冷却。

其他步骤与实施例1相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例3

实施例中，在制备浆料步骤1中，将聚氧化乙烯10质量份加入到1300质量份的常温水中，搅拌1～3小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将氧化铝陶瓷晶须120质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，该步骤的其他步骤与实施例1相同，制备成浆料待用。

在制备混合料步骤2中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物15质量份，水玻璃10质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入粒径是纳米级的氧化铝陶瓷颗粒40质量份，制备成混合料。

在焙烧步骤5中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内180℃烧结3小时，升温到1250℃烧结4小时，随炉自然冷却。

其他步骤与实施例1相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例4

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的氧化硅陶瓷晶须替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例5

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的硅酸铝陶瓷晶须替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例6

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的石墨陶瓷晶须替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例7

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的氧化硼陶瓷晶须替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例8

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的氮化硅陶瓷晶须替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例9

在以上的实施例1～3的制备浆料步骤1中，所用的氧化铝陶瓷晶须用等质量份的氧化铝陶瓷晶须、氧化硅陶瓷晶须、硅酸铝陶瓷晶须、石墨陶瓷晶须、氧化硼陶瓷晶须、氮化硅陶瓷晶须它们之间的任意质量配比组合物替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例10

在以上的实施例1～9的制备混合料步骤2中，所用的氧化铝陶瓷颗粒用等质量份的氧化硅陶瓷颗粒替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例11

在以上的实施例1～9的制备混合料步骤2中，所用的氧化铝陶瓷颗粒用等质量份的碳陶瓷颗粒替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例12

在以上的实施例1～9的制备混合料步骤2中，所用的氧化铝陶瓷颗粒用等质量份的碳化硼陶瓷颗粒替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

实施例13

在以上的实施例1～9的制备混合料步骤2中，所用的氧化铝陶瓷颗粒用等质量份的氧化铝陶瓷颗粒、氧化硅陶瓷颗粒、碳陶瓷颗粒、碳化硼陶瓷颗粒中它们之间的任意质量配比组合物替换。其他步骤与相应的实施例相同。制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的陶瓷相多组元复合材料预制件进行了测试，测试结果见表1。

表1陶瓷相多组元复合材料预制件的物理性能

由表1可见，采用本发明制备的陶瓷相多组元复合材料预制件，由于所制作材料增强相类型、尺寸、含量以及基体合金的不同，特别是含低体积分数（10%～25%）纳米颗粒、晶须增强相复合材料，所制备的陶瓷相多组元复合材料预制件的各种机械性能有所差异，整体而言，相应的金属基复合材料的各种机械性能指标，均优于相应的基体合金。

Claims (9)

1.一种陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，由下述步骤组成：

（1）制备浆料

将聚氧化乙烯3～10质量份加入到800～1300质量份的常温水中，搅拌1～3小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将陶瓷晶须50～120质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用；

上述的聚氧化乙烯的数均分子量为17～22万；陶瓷晶须是氧化铝陶瓷晶须、氧化硅陶瓷晶须、硅酸铝陶瓷晶须、石墨陶瓷晶须、氧化硼陶瓷晶须、氮化硅陶瓷晶须中的任意一种或它们之间的任意组合物；

（2）制备混合料

将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物6～15质量份，水玻璃3～10质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒10～40质量份，制备成混合料；

上述的陶瓷颗粒是氧化铝陶瓷颗粒、氧化硅陶瓷颗粒、碳陶瓷颗粒、碳化硼陶瓷颗粒中的任意一种或它们之间的组合物，其颗径是纳米级或者不同种类的纳米级颗粒的混合体；

（3）脱水

将配置好的混合料，用孔径等于或小于陶瓷晶须直径的滤网包扎，采用离心法或加压或负压法过滤掉95%以上的水分；

（4）制备坯件

将过滤掉水分的物料，置于成型模具中，在5～25MPA的压力下，压制成型，制成坯件；

（5）焙烧

将制成的坯件，在工业用热处理炉内150～180℃烧结3～5小时，升温到1180～1250℃烧结4～7小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

2.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：在制备浆料步骤（1）中，将聚氧化乙烯3～10质量份加入到900～1200，质量份的常温水中，搅拌1～3小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将50～100质量份陶瓷晶须加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

3.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：在制备浆料步骤（1）中，将聚氧化乙烯5质量份加入到1000质量份的常温水中，搅拌3～5小时，均匀溶解，制备成聚氧化乙烯水溶液，将陶瓷晶须80质量份加入到聚氧化乙烯水溶液中，搅拌3～5小时，静置20～24小时，制成浆料待用。

4.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：在制备混合料步骤（2）中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物8～12质量份，水玻璃5～8质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒15～25质量份，制备成混合料。

5.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：在制备混合料步骤（2）中，将配置的浆料中加入分子量为18～20万的聚乙烯醇与糊精质量比为1：1的组合物10质量份，水玻璃6质量份，搅拌3～5小时，在搅拌过程中加入陶瓷颗粒20质量份，制备成混合料。

6.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：所述的焙烧步骤（5）中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内155～170℃烧结4～5小时，升温到1200～1250℃烧结4～6小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

7.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：所述的焙烧步骤（5）中，将制成的坯件，在工业用热处理炉内165℃烧结5小时，升温到1220℃烧结5小时，随炉自然冷却，制备成陶瓷相多组元复合材料预制件。

8.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：所述的制备浆料步骤（1）中，陶瓷晶须的直径为微米级，长度与直径的比为20～500：1。

9.根据权利要求1所述的陶瓷相多组元复合材料预制件的制备方法，其特征在于：所述的制备混合料步骤（2）中，陶瓷颗粒的粒径为纳米级。