CN107586117B - 一种碳纤维增韧氧化铝陶瓷材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种高强度氧化铝基陶瓷材料的制备方法。该陶瓷材料由氧化铝、2.5D机织碳纤维为原料制备而成，本发明的特征是：按氧化铝85~92%、2.5D机织碳纤维8~15%的体积百分比准备原料；对2.5D机织碳纤维进行表面预处理并装模在真空中进行热压烧结；烧结温度1450~1550℃，烧结压力28~35MPa，保温时间30~35min。本发明制备的氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料，具有良好室温力学性能，材料的致密化程度高，强度和韧性比相同工艺下制备的纯氧化铝大幅度提高。在制备耐磨性要求较高的陶瓷模具、喷沙嘴、刀具等零部件方面有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种高强度氧化铝基陶瓷材料的制备方法。
背景技术
2.5D (dimension) 机织是近年来发展起来的一种新型编织工艺技术，是三维复合材料一个重要的分支，其纤维预制体结构示意图 (纤维截面直径微米级、纤维体积含量可变化) 如图1所示。通过纬纱和经纱之间缠绕形成互锁，纤维束在厚度方向上以一定角度进行交织，增强了织物层间的连接强度；它避免了二维复合材料层间性能差和三维编织复合材料工艺复杂的缺点，降低了生产成本、缩短了生产周期，能最大限度满足织物尺寸和形状需要；因此，在航空、航天等复合材料的应用领域内逐步得到推广，并有向结构/功能一体化复合材料领域拓展的趋势。
氧化铝是一种研究较早的陶瓷材料，以氧化铝为基体的复合陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，因此被广泛应用于冶金、化工、机械、电子和航空航天等领域；但是纯氧化铝脆性大、韧性低，如何解决这一缺陷也成为众多国内外研究学者一直研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述氧化铝陶瓷增韧方面现有技术的不足，提供一种具备高强度氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料的制备方法。
本发明通过以下方式实现：
氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料，其特征是它由氧化铝、2.5D机织碳纤维为原料制备而成，各原料的体积百分比(vol.%)为：氧化铝85~92%、2.5D机织碳纤维8~15%。
制备上述氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料的工艺步骤为：
(1) 配料：以氧化铝作为基体材料，根据氧化铝所占体积百分比和密度，确定出其质量百分比并称取氧化铝原料。以2.5D机织碳纤维为增韧补强添加相，根据其体积百分比和密度，换算并称取2.5D机织碳纤维的质量。
(2) 前处理：将称好的氧化铝以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨150~200 h。采用低温表面氧化工艺对2.5D机织碳纤维进行表面预处理，工艺为：喷雾压力为0.08~0.1MPa，干燥器入口热风温度350~400℃，出口温度为95~110℃，进料速度为10~14ml/min，喷孔直径为0.7~1.5mm；
(3) 装模：将2.5D机织碳纤维用少量502粘结剂四点固定于石墨模具中，均匀筛入球磨过的氧化铝粉末，预压待烧。
(4) 烧制：采用真空热压烧结工艺，烧结温度1450~1550℃，烧结压力28~35MPa，保温时间为30~35min。
本发明通过上述工艺制备的氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料，具有良好室温力学性能，材料的致密化程度高，强度和韧性比相同工艺下制备的纯氧化铝大幅度提高。在制备耐磨性要求较高的陶瓷模具、喷沙嘴、刀具等零部件方面有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所使用的2.5D机织纤维结构示意图 (实际纤维截面直径微米级、纤维体积含量可变化)。
具体实施方式
下面给出本发明的两个最佳实施例：
实施例一：按照氧化铝85%、2.5D机织碳纤维15%的体积百分比准备原料；将称好的氧化铝以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨180 h。采用低温表面氧化工艺对2.5D机织碳纤维进行表面预处理，工艺为：喷雾压力为0.1MPa，干燥器入口热风温度380±30℃，出口温度为100±5℃，进料速度为12±2ml/min，喷孔直径为1.0mm；将2.5D机织碳纤维用少量502粘结剂四点固定于石墨模具中，均匀筛入球磨过的氧化铝粉末，预压成型，在真空中热压烧结；烧结温度1500℃，烧结压力30MPa，烧结保温时间30min；烧结出炉的氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料维氏硬度17.8~18.5GPa，抗弯强度600~630MPa，断裂韧性5.4~6.0MPa·m1/2。
实施例二：其他同实施例一，不同之处是按照氧化铝92%、2.5D机织碳纤维8%的体积百分比准备原料；；烧结温度1550℃，烧结压力35MPa，烧结保温时间35min；烧结出炉的氧化铝/2.5D机织碳纤维陶瓷材料维氏硬度18.1~19.3GPa，抗弯强度580~600MPa，断裂韧性5.0~5.8MPa·m1/2。
Claims (2)
1.一种碳纤维增韧氧化铝陶瓷材料的方法，其特征是它由氧化铝、2.5D机织碳纤维为原料制备而成，各原料的体积百分比为：氧化铝85~92%、2.5D机织碳纤维8~15%；
所述方法包括以下步骤：
(1) 配料：以氧化铝作为基体材料，根据氧化铝所占体积百分比和密度，确定出其质量百分比并称取氧化铝原料，以2.5D机织碳纤维为增韧补强添加相，根据其体积百分比和密度，换算并称取2.5D机织碳纤维的质量；
(2) 前处理：将称好的氧化铝以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨150~200h，采用低温表面氧化工艺对2.5D机织碳纤维进行表面预处理，工艺为：喷雾压力为0.08~0.1MPa，干燥器入口热风温度350~400℃，出口温度为95~110℃，进料速度为10~14ml/min，喷孔直径为0.7~1.5mm；
(3) 装模：将2.5D机织碳纤维用少量502粘结剂四点固定于石墨模具中，均匀筛入球磨过的氧化铝粉末，预压待烧；
(4) 烧制：采用真空热压烧结工艺，烧结温度1450~1550℃，烧结压力28~35MPa，保温时间为30~35min。
2.根据权利要求1所述一种碳纤维增韧氧化铝陶瓷材料的方法，其特征是2.5D机织碳纤维经向纤维束和纬向纤维束为正交机织，纤维编织角度为90°。
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