CN104829255A - 一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅55-65、金刚石磨料30-35、短切碳纤维预分散体10-13、烧结助剂2-3、氢氧化镧4-5、碳酸钾1-3、高岭土粉4-5、硬脂酰胺2-3、环氧树脂2-3、聚乙烯醇1-2、去离子水80-90；本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，添加的高岭土粉和环氧树脂等作为结合剂与磨料的把持强度大，粘结牢固，使得本发明制备的碳化硅砂轮具有良好的硬度和磨削性能，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
众所周知，无压烧结碳化硅陶瓷具有抗氧化性好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大、及抗热震和耐化学腐蚀性能好等优良性能，已在石油、化工、机械、航天核能和军事等领域得到广泛的应用，但是在现有制造方法下制造的无压烧结碳化硅陶瓷由于其断裂韧性差、抗冲击能力小易碎等弊端，在使用上受到了一定的限制。砂轮是用磨料和结合剂混合经压坯、干燥、焙烧而制成的，疏松的盘状、轮状等各种形状的磨具。砂轮是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等，这就要求砂轮具有较高的强度、良好的磨削性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：
一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，由下列重量份的原料制成：碳化硅55-65、金刚石磨料30-35、短切碳纤维预分散体10-13、烧结助剂2-3、氢氧化镧4-5、碳酸钾1-3、高岭土粉4-5、硬脂酰胺2-3、环氧树脂2-3、聚乙烯醇1-2、去离子水80-90；
所述烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
本发明所述一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、氢氧化镧、碳酸钾、高岭土粉和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
本发明的优点是：本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，添加的高岭土粉和环氧树脂等作为结合剂与磨料的把持强度大，粘结牢固，使得本发明制备的碳化硅砂轮具有良好的硬度和磨削性能，使用寿命长。
具体实施方案
下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，由下列重量份（公斤）的原料制成：碳化硅65、金刚石磨料30、短切碳纤维预分散体13、烧结助剂3、氢氧化镧5、碳酸钾2、高岭土粉5、硬脂酰胺3、环氧树脂3、聚乙烯醇1、去离子水90；
所述烧结助剂是由15重量份的氧化铝、8重量份的硼化锆、18重量份的碳粉混合研磨成300目粉末，加入0.6重量份的亚甲基双丙烯酰胺和15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在12MPa下压制成胚料，然后于700°C下干燥粉碎成200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在3mm，在600°C下低温氧化2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散20分钟，再加入碳纤维0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散2小时即可。
本发明所述一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、氢氧化镧、碳酸钾、高岭土粉和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以400转/分的转速进行湿法混合，混合2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至200转/分，继续球磨1小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温40分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以25°C/min升温至1700°C，恒温保持3小时，试样随炉冷却即可得到。
本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：
硬度（GPa）：37.1；
弹性模量（GPa）：370；
抗折强度（MPa）：200；
断裂韧性（Mpa/m1/2）：4.27；
热膨胀系数（10-5/K）：3.1；
热传导率（W/mK）：100。
Claims (3)
1.一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅55-65、金刚石磨料30-35、短切碳纤维预分散体10-13、烧结助剂2-3、氢氧化镧4-5、碳酸钾1-3、高岭土粉4-5、硬脂酰胺2-3、环氧树脂2-3、聚乙烯醇1-2、去离子水80-90；
所述的烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
2.根据权利要求1所述一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，其特征在于，所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
3.根据权利要求1所述一种含有碳增强纤维的陶瓷碳化硅砂轮，其特征在于，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、氢氧化镧、碳酸钾、高岭土粉和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
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