CN108285989A - 一种含棕刚玉的自修复复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属新复合材料技术领域技术领域，特别涉及一种含棕刚玉的自修复复合材料，还特别涉及一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法；本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料具有良好的自修复性能和摩擦学性能，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化；本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，制备速度快，可规模化批量生产，工艺简单且易控制。
Description
技术领域
本发明涉及金属新复合材料技术领域技术领域，特别涉及一种含棕刚玉的自修复复合材料，还特别涉及一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法。
背景技术
随着现代机械设备向高功率、高热负荷、高压和高使用寿命方向发展，磨损自修复技术已成为装备维修工程的主要发展方向之一，也是摩擦学领域的前沿研究内容。
利用磨损自修复技术可使零件在摩擦过程中实现自组织、自适应和自修复功能，达到增加润滑、减少摩擦磨损的目的，不仅可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜，降低摩擦因数，直接吸附到零件的划痕或微坑处起到自修复作用，还有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化；因此，有必要研发具有自修复功能的新型自修复复合材料。
发明内容
为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种含棕刚玉的自修复复合材料，其含有棕刚玉，具有良好的自修复性能和摩擦学性能，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化；还提供一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，制备速度快，可规模化批量生产，工艺简单且易控制。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
一种含棕刚玉的自修复复合材料，其中，包括组分1和组分2，组分1与组分2的重量比为1/20:19/20；所述组分1为棕刚玉；所述组分2包括按重量比的81％～86％钛、2％～5％铝、3％～6％钼、3％～6％钒、1％～3％铬、0.5％～2％铌和0.5％～2％硼。
作为本发明的一种改进，所述组分2包括83.5％钛、3％铝、5％钼、4.5％钒、2％铬、1％铌和1％硼。
作为本发明的进一步改进，所述组分2包括82％钛、5％铝、3％钼、5％钒、2％铬、2％铌和1％硼。
作为本发明的更进一步改进，所述组分2包括85％钛、4％铝、5％钼、4％钒、1％铬、0.5％铌和0.5％硼。
一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1：按重量比称取81％～86％钛粉、2％～5％铝粉、3％～6％钼粉、3％～6％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼数值，混合成组分2；称取为组分2重量的15％～25％的组分1；
步骤S2：将组分1与组分2充分混合，形成混合料；
步骤S3：将混合料进行湿磨、筛选、清洗后得到混合悬浊溶液，然后过滤除去滤液，真空干燥后得到粉末；
步骤S4：将粉末进行烧结得到自修复复合材料。
作为本发明的一种改进，在步骤S3内，将混合料放入真空度为0.005MPa～0.025MPa的真空钢质球磨罐内，并加入钢球，以酒精或水为介质，进行湿磨，形成混合浆。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3内，将混合浆通过300～600目的不锈钢筛子进行筛选，得到混合粉浆。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3内，将混合粉浆用水进行清洗，得到混合悬浊溶液，进行过滤除去滤液，得滤沫。
作为本发明的更进一步改进，将滤沫加入真空度为0.005MPa～0.025MPa、干燥温度为60℃～80℃的真空干燥机内干燥5小时～6小时，得到粉末。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S4内，将粉末放入石墨磨具中，采用放电等离子烧结，在烧结压力为40MPa～50MPa，烧结温度为800℃～1250℃的条件下，烧结5分钟～30分钟。
本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料具有良好的自修复性能和摩擦学性能，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化；本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，制备速度快，可规模化批量生产，工艺简单且易控制。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例一制得的含棕刚玉的自修复复合材料在为5N荷载条件下磨痕表面的电子探针形貌；
图3为本发明实施例一制得的含棕刚玉的自修复复合材料在为15N荷载条件下磨痕表面的电子探针形貌；
图4为本发明实施例二制得的含棕刚玉的自修复复合材料在为5N荷载条件下磨痕表面的电子探针形貌；
图5为本发明实施例二制得的含棕刚玉的自修复复合材料在为15N荷载条件下磨痕表面的电子探针形貌；
图6为本发明实施例一与实例二所制得的含棕刚玉的自修复复合材料在20min磨损时间下的平均磨损率曲线；
图7为本发明实施例一与实例二所制得的含棕刚玉的自修复复合材料在20min摩擦时间下的摩擦系数曲线；
图8为本发明在实例二条件下磨痕断口FESEM形貌。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料，包括组分1和组分2，组分1与组分2的重量比为1/20:19/20。
在本发明中，组分1为棕刚玉。
在本发明中，组分2包括按重量比的81％～86％钛、2％～5％铝、3％～6％钼、3％～6％钒、1％～3％铬、0.5％～2％铌和0.5％～2％硼。
本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料含有棕刚玉，具有良好的自修复性能和摩擦学性能，有利于降低摩擦振动，减少噪声，节约能源，实现对零件摩擦表面几何形状的修复和配合间隙的优化。
本发明提供组分2的一种实施方式，组分2包括83.5％钛、3％铝、5％钼、4.5％钒、2％铬、1％铌和1％硼；该组分2因5％钼和4.5％钒，钼而使自修复复合材料更具有耐高温、防腐和耐磨性能，自修复复合材料耐高温不变形，可以使之2000℃的高温下不变形，还能保持硬度且韧度还有所增加，还使之具有防腐和耐磨；钒使自修复复合材料更具有耐腐蚀、抗磨损、抗爆裂和抗寒的性能。
本发明提供组分2的另一种实施方式，组分2包括82％钛、5％铝、3％钼、5％钒、2％铬、2％铌和1％硼；该组分2含有5％钒和5％铝，钒使自修复复合材料更具有耐腐蚀、抗磨损、抗爆裂和抗寒的性能；铝使自修复复合材料更具有防腐蚀性能。
本发明提供组分2的再一种实施方式，组分2包括85％钛、4％铝、5％钼、4％钒、1％铬、0.5％铌和0.5％硼；该组分2因85％钛和5％钼，钛而使自修复复合材料更具有质量轻且强度高的特性；钼而使自修复复合材料更具有耐高温、防腐和耐磨性能，自修复复合材料耐高温不变形，可以使之2000℃的高温下不变形，还能保持硬度且韧度还有所增加，还使之具有防腐和耐磨。
本发明提供一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：按重量比称取81％～86％钛粉、2％～5％铝粉、3％～6％钼粉、3％～6％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼数值，混合成组分2；称取为组分2重量的15％～25％的组分1；
步骤S2：将组分1与组分2充分混合，形成混合料；
步骤S3：将混合料进行湿磨、筛选、清洗后得到混合悬浊溶液，然后过滤除去滤液，真空干燥后得到粉末；
步骤S4：将粉末进行烧结得到自修复复合材料。
本发明的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，制备速度快，可规模化批量生产，工艺简单且易控制。
在本发明中，在步骤S3内，将混合料放入真空度为0.005MPa～0.025MPa的真空钢质球磨罐内，并加入钢球，以酒精或水为介质，进行湿磨，形成混合浆；球磨机转速为600-1000r/min、球料质量比为10:1-5:1。
在本发明中，在步骤S3内，将混合浆通过300～600目的不锈钢筛子进行筛选，得到混合粉浆。
在本发明中，在步骤S3内，将混合粉浆用水进行清洗，得到混合悬浊溶液，进行过滤除去滤液，得滤沫；将滤沫加入真空度为0.005MPa～0.025MPa、干燥温度为60℃～80℃的真空干燥机内干燥5小时～6小时，得到粉末。
在本发明中，在步骤S4内，将粉末放入石墨磨具中，采用放电等离子烧结，在烧结压力为40MPa～50MPa，烧结温度为800℃～1250℃的条件下，烧结5分钟～30分钟；升温速率大概为100-200℃/min。
本发明提供一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法的实施例一，包括如下步骤：
1)称取钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉和硼粉质量比(wt.％)为83.5：3.0：5.0：4.5：2.0：1.0：1.0，形成组分2，加入棕刚玉为组分2质量的15wt.％；
2)混料：将钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉与硼粉及棕刚玉粉末进行混合处理；具体步骤如下，将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机中进行湿磨处理，湿磨时间约为3小时；球磨机转速为600r/min、球料质量比为10:1；不锈钢真空球磨罐内真空度为5Pa；
3)预处理：将上述混料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液；然后，对滤液进行过滤处理，真空干燥后得到混合均匀的预处理粉末；预处理是将混合溶液通过300目不锈钢筛子，干燥器的真空度约为5Pa，干燥温度约为60℃，干燥时间为5小时；
4)制备：将预处理好的混合粉末置于石墨模具中，在真空条件下利用放电等离子烧结技术，得到含棕刚玉的自修复复合材料；放电等离子烧结工艺为：烧结温度约为800℃、升温速率大概为100℃/min、烧结压力为40MPa、真空度为0.01Pa、烧结时间为5min。
利用维氏硬度仪在实施例一下对含棕刚玉的自修复复合材料进行测试，测试结果表明，其硬度约为H钒5.65，密度约为3.71g/cm3；图2、图3为实施例一下含棕刚玉的自修复复合材料在5N与15N载荷条件下磨痕表面电子探针照片；图2与图3说明含棕刚玉的自修复复合材料磨痕表面都没有显著的犁沟和剥落凹坑，使其在20min的滑动过程中具有良好的自修复性能，表现出优异的摩擦学性能；含棕刚玉的自修复复合材料的磨损率可计算如公式(1)所示：
W＝钒/F×L＝钒×ρw/(F×L×ρw)＝Mw/(F×L×ρw)(1)
式中：钒代表磨损体积，F代表载荷，L代表滑动距离，ρw代表材料密度，Mw代表磨损的材料质量，W的单位是mm3/(Nm)-1。
图6与图7表明在载荷5N载荷作用下其滑动摩擦系数约为0.38，磨损率约为6.3×10-4mm3/(Nm)-1，小的摩擦系数和低的磨损率含棕刚玉的自修复复合材料具有优异的摩擦学性能。
本发明提供一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法的实施例二，包括如下步骤：
1)称取钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉和硼粉质量比(wt.％)为83.5：3.0：5.0：4.5：2.0：1.0：1.0，形成组分2，加入棕刚玉为组分2质量的15wt.％；
2)混料：将钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉与硼粉及棕刚玉粉末进行混合处理；具体步骤如下，将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机中进行湿磨处理，湿磨时间约为4小时；球磨机转速为1000r/min、球料质量比为5:1；不锈钢真空球磨罐内真空度为25Pa；
3)预处理：将上述混料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液。然后，对滤液进行过滤处理，真空干燥后得到混合均匀的预处理粉末；预处理是将混合溶液通过600目不锈钢筛子，干燥器的真空度约为25Pa，干燥温度约为80℃，干燥时间为6小时。
4)制备：将预处理好的混合粉末置于石墨模具中，在真空条件下利用放电等离子烧结技术，得到含棕刚玉的自修复复合材料；放电等离子烧结工艺为：烧结温度约为1250℃、升温速率大概为200℃/min、烧结压力为50MPa、真空度为0.1Pa、烧结时间为30min。
利用维氏硬度仪在实施例二下对含棕刚玉的自修复复合材料进行测试，测试结果表明，其硬度约为H钒5.85，密度约为3.85g/cm3。图4、图5为实施例二下含棕刚玉的自修复复合材料在5N与15N载荷条件下磨痕表面电子探针照片；图4与图5说明含棕刚玉的自修复复合材料磨痕表面形貌较好，使其在20min的滑动后取得了小的摩擦系数(约为0.35)与低的磨损率约为(4.2×10-4mm3/(Nm)-1)；小的摩擦系数和低的磨损率表明，含棕刚玉的自修复复合材料具有优异的减摩抗磨性能。图8是实施例二所制得的含棕刚玉的自修复复合材料在15N载荷作用下的磨痕亚表面的FESEM照片；如图8所示，磨痕亚表面的FESEM形貌表明，在摩擦接触界面上覆盖一层具有自修复功能的薄膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含棕刚玉的自修复复合材料，其特征在于，包括组分1和组分2，组分1与组分2的重量比为1/20:19/20；
所述组分1为棕刚玉；
所述组分2包括按重量比的81％～86％钛、2％～5％铝、3％～6％钼、3％～6％钒、1％～3％铬、0.5％～2％铌和0.5％～2％硼。
2.根据权利要求1所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料，其特征在于，所述组分2包括83.5％钛、3％铝、5％钼、4.5％钒、2％铬、1％铌和1％硼。
3.根据权利要求1所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料，其特征在于，所述组分2包括82％钛、5％铝、3％钼、5％钒、2％铬、2％铌和1％硼。
4.根据权利要求1所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料，其特征在于，所述组分2包括85％钛、4％铝、5％钼、4％钒、1％铬、0.5％铌和0.5％硼。
5.一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：按重量比称取81％～86％钛粉、2％～5％铝粉、3％～6％钼粉、3％～6％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼数值，混合成组分2；称取为组分2重量的15％～25％的组分1；
步骤S2：将组分1与组分2充分混合，形成混合料；
步骤S3：将混合料进行湿磨、筛选、清洗后得到混合悬浊溶液，然后过滤除去滤液，真空干燥后得到粉末；
步骤S4：将粉末进行烧结得到自修复复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3内，将混合料放入真空度为0.005MPa～0.025MPa的真空钢质球磨罐内，并加入钢球，以酒精或水为介质，进行湿磨，形成混合浆。
7.根据权利要求6所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3内，将混合浆通过300～600目的不锈钢筛子进行筛选，得到混合粉浆。
8.根据权利要求7所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3内，将混合粉浆用水进行清洗，得到混合悬浊溶液，进行过滤除去滤液，得滤沫。
9.根据权利要求8所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，将滤沫加入真空度为0.005MPa～0.025MPa、干燥温度为60℃～80℃的真空干燥机内干燥5小时～6小时，得到粉末。
10.根据权利要求9所述的一种含棕刚玉的自修复复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4内，将粉末放入石墨磨具中，采用放电等离子烧结，在烧结压力为40MPa～50MPa，烧结温度为800℃～1250℃的条件下，烧结5分钟～30分钟。
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| CN105603234A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-05-25 | 武汉理工大学 | 一种含云母粉钛铝基自修复复合材料的制备方法 |
| CN106498232A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-03-15 | 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） | 一种新型镍铝基自修复复合材料及其制备方法 |
-
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