CN105330293A - 一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成:碳化钛40-60、氧化铝10-25、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化硼1.5-4、二氧化硅2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。本发明的碳化钛硬度(HV)达2400以上，抗压强度(MPa)达4500以上，抗弯强度(MPa)达540以上，且本发明工艺简单，原料来源方便，且明显提高了碳化钛陶瓷的硬度和耐磨性能，扩大了碳化钛陶瓷的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
碳化钛具有优良的机械性能、高热传导性和良好的热震稳定性等，这些特性使它们在航空航天、汽车工业以及能源等领域得到广泛应用。但碳化钛陶瓷韧性差、加工困难的缺点限制了其应用。碳化钛是一种典型的共价键结合的稳定化合物，加上它的扩散系数低，很难用常规的烧结方法达到致密化，必须通过添加一些烧结助剂以降低表面能或增加表面积，以及采用特殊工艺处理来获得致密的碳化钛陶瓷。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨性好硬度高的碳化钛陶瓷。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施:
一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，由下列重量份的原料制成:碳化钛40-60、氧化铝10-25、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化硼1.5-4、二氧化硅2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。
优选的，所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷由下列重量份的原料制成:碳化钛45-55、氧化铝15-20、高岭土粉4-6、氧化锆1-1.5、氧化硼2-3、二氧化硅3-5、三氧化二锑2.5-3、碳纤维1.6-2.5、表面活性剂0.05-0.2、聚乙烯1.5-2、无水乙醇26-28、甘油3-5、去离子水68-70。
优选的，所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷由下列重量份的原料制成:碳化钛52、氧化铝18、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化硼2.8、二氧化硅4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
优选的，所述碳纤维的长度为4-6mm。
优选的，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种。
制备上述高硬度耐高温碳化钛陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到球磨罐中球磨60-90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300-400rpm的转速进行湿法混合40-60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100-200rpm，继续球磨40-60min，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700-750℃下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，升温至1650-1680℃，恒温保持120-180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
优选的，所述球磨罐配备有高纯度氧化铝磨球。
优选的，步骤（3）中所述升温其速率为30-35℃/min。
本发明的优点是：
（1）本发明添加的碳纤维可以提高碳化钛的力学性能，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碳化钦进一步提高陶瓷的耐磨性。
（2）本发明添加的金属元素提高了碳化钛陶瓷的致密性，减少了材料的损失，提高成品率。
（3）本发明工艺简单，原料来源方便，且明显提高了碳化钛陶瓷的硬度和耐磨性能，扩大了碳化钛陶瓷的使用范围。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，由下列重量份的原料制成:碳化钛52、氧化铝18、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化硼2.8、二氧化硅4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
其中，所述碳纤维的长度为4mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐高温碳化钛陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化铝磨球的球磨罐中球磨90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以400rpm的转速进行湿法混合60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至200rpm，继续球磨60min，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750℃下保温50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以35℃/min的速率升温至1680℃，恒温保持180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
实施例2
一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，由下列重量份的原料制成:碳化钛40、氧化铝10、高岭土粉7、氧化锆2、氧化硼4、二氧化硅6、三氧化二锑3.5、碳纤维3、表面活性剂0.3、聚乙烯3、无水乙醇30、甘油5、去离子水75。
其中，所述碳纤维的长度为6mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐高温碳化钛陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化铝磨球的球磨罐中球磨60min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300rpm的转速进行湿法混合40min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100rpm，继续球磨40min，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700℃下保温30分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以30℃/min的速率升温至1650℃，恒温保持120min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
实施例3
一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，由下列重量份的原料制成:碳化钛60、氧化铝25、高岭土粉2、氧化锆0.8、氧化硼1.5、二氧化硅2、三氧化二锑1.8、碳纤维0.6、表面活性剂0.05、聚乙烯0.5、无水乙醇25、甘油2、去离子水65。
其中，所述碳纤维的长度为5mm，所述表面活性剂为聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠。
制备上述高硬度耐高温碳化钛陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化铝磨球的球磨罐中球磨80min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以350rpm的转速进行湿法混合50min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至110rpm，继续球磨50min，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720℃下保温40分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以33℃/min的速率升温至1660℃，恒温保持160min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
实施例4
一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，由下列重量份的原料制成:碳化钛45、氧化铝15、高岭土粉5、氧化锆1.8、氧化硼3、二氧化硅4、三氧化二锑2.5、碳纤维2.8、表面活性剂0.25、聚乙烯2、无水乙醇28、甘油2、去离子水70。
其中，所述碳纤维的长度为4mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐高温碳化钛陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化铝磨球的球磨罐中球磨70min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以380rpm的转速进行湿法混合45min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至120rpm，继续球磨60min，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720℃下保温40分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以30℃/min的速率升温至1680℃，恒温保持200min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
Claims (8)
1.一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:碳化钛40-60、氧化铝10-25、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化硼1.5-4、二氧化硅2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。
2.根据权利要求1所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:碳化钛45-55、氧化铝15-20、高岭土粉4-6、氧化锆1-1.5、氧化硼2-3、二氧化硅3-5、三氧化二锑2.5-3、碳纤维1.6-2.5、表面活性剂0.05-0.2、聚乙烯1.5-2、无水乙醇26-28、甘油3-5、去离子水68-70。
3.根据权利要求2所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:碳化钛52、氧化铝18、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化硼2.8、二氧化硅4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷，其特征在于，所述碳纤维的长度为4-6mm。
5.根据权利要求4所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷，其特征在于，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种。
6.一种高硬度耐高温碳化钛陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤:
(1)将碳化钛、氧化铝、高岭土粉、氧化锆、氧化硼、二氧化硅、三氧化二锑、去离子水混合加到球磨罐中球磨60-90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300-400rpm的转速进行湿法混合40-60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100-200rpm，继续球磨40-60min，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700-750℃下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的碳化钛陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，升温至1650-1680℃，恒温保持120-180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐高温碳化钛陶瓷。
7.根据权利要求6所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球磨罐配备有高纯度氧化铝磨球。
8.根据权利要求7所述的高硬度耐高温碳化钛陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述升温其速率为30-35℃/min。
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