CN108842097A - 一种含蛇纹石的自修复复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属复合材料制备技术领域，特别涉及一种含蛇纹石的自修复复合材料，还特别涉及一种含蛇纹石的自修复复合材料的制备方法；本发明含蛇纹石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，提高了材料的减摩和耐磨性能，且易于加工制备；本发明提供的含蛇纹石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，特别涉及一种含蛇纹石的自修复复合材料，还特别涉及一种含蛇纹石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蛇纹石的自修复复合材料，其含有蛇纹石，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；还提供一种含蛇纹石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：
一种含蛇纹石的自修复复合材料，其中，包括组分1和组分2，组分1与组分2的重量比为3/20:1/4；所述组分1为蛇纹石；所述组分2包括按重量比的82％～85％钛、2％～5％铝、4％～6％钼、4％～5％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83％钛、3％铝、4％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、4％钼、4％钒、1％铬、1％铌和1％硼。
一种含蛇纹石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82％～85％钛粉、2％～5％铝粉、4％～6％钼粉、4％～5％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼粉，混合成组分1；称取为组分1重量的15％～25％的组分2；
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350～650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～0.01MPa、干燥温度为40℃～120℃的真空干燥机内干燥4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30MPa～60MPa，烧结温度为900℃～1200℃的条件下，烧结时间为5分钟～20分钟。
本发明的含蛇纹石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，提高了材料的减摩和耐磨性能，且易于加工制备；本发明提供的含蛇纹石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蛇纹石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蛇纹石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蛇纹石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蛇纹石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蛇纹石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蛇纹石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，本发明的一种含蛇纹石的自修复复合材料，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3/20:1/4。
在本发明中，组分1为蛇纹石。
在本发明中，组分2包括按重量比的82％～85％钛、2％～5％铝、4％～6％钼、4％～5％钒、1％～3％铬、0.5％～2％铌和0.5％～2％硼。
蛇纹石具有较高的硬度和近似于金属材料的弹性模量，蛇纹石可以在氧化物的催发下形成氧化膜，显著降低摩擦，同时膜层的多孔结构表现出优异的摩擦学性能。
在本发明中，该含蛇纹石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，提高了材料的减摩和耐磨性能，且易于加工制备。
本发明提供组分2的一个实施方式，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与蛇纹石混合制成的自修复复合材料，因含5％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。
本发明提供组分2的另一个实施方式，组分2包括83％钛、3％铝、4％钼、5％钒、2％铬、2％铌和1％硼；该组分2与蛇纹石混合制成的自修复复合材料，因含5％钒而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，且与蛇纹石的特性配合，可以克服蛇纹石易氧化的特性，使自修复复合材料不易氧化。
本发明提供组分2的再一个实施方式，组分2包括85％钛、4％铝、4％钼、4％钒、1％铬、1％铌和1％硼；该组分2与蛇纹石混合制成的自修复复合材料，因85％钛而使自修复复合材料更具有质量轻且强度高的特性。
本发明提供一种含蛇纹石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82％～85％钛粉、2％～5％铝粉、4％～6％钼粉、4％～5％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼粉，混合成组分1；称取为组分1重量的15％～25％的组分2；
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。
在本发明中，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；利用钢质球磨罐，使混合料与钢球碰撞加入酒精或水，而进行湿磨，使之球磨更快速，得混合浆。
在步骤S3内，将混合浆通过350～650目的不锈钢筛子进行筛选，得到混合粉浆；通过不锈钢筛子将钢球过滤，截留钢球，从而得到混合粉浆。
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；进行过滤除去滤液，得到滤沫，将滤沫加入真空度为0.005MPa～0.01MPa、干燥温度为40℃～120℃的真空干燥机内干燥4小时～6小时，得到粉末；进行干燥后得到粉末。
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30MPa～60MPa，烧结温度为900℃～1200℃的条件下，烧结5分钟～20分钟；进行放电等离子烧结，从而得到自修复复合材料。
本发明提供一种含蛇纹石的自修复复合材料的制备方法的实施例一，如图1、图2和图3所示，该实施例一包括如下步骤：
1)以钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉和硼粉为基体原料，按照钛：铝：钼：钒：铬：铌：硼的质量分数比(Wt％)＝83.5：3：5：4.5：2：1：1均匀混料，称取7.9325克钛粉、0.285克铝粉、0.475克钼粉、0.4275克钒粉、0.19克铬粉、0.095克铌粉、0.095克硼粉，共计9.5克组分2，然后添加0.5克蛇纹石到组分2中，得到混合料；
2)将混合料和钢球放在真空钢质球磨罐中，低真空条件下在行星球磨机上湿磨3小时；湿磨介质为酒精；其中：球磨机转速约为650r/min、球料质量比约为6:1、真空度约为5Pa；
3)将球磨后含钢球的混合浆料通过约350目不锈钢筛子筛选清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度约为0.005MPa，温度约为40℃，时间约为4小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将干燥好的粉末置于内直径为20mm的石墨磨具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结，其中烧结温度约为900℃、升温速率约为90℃/min、烧结压力为30MPa、烧结时间为5min、真空度为1×10-1Pa，制备出含蛇纹石的自修复复合材料。
采用维氏硬度仪测试实施例一所制备的含蛇纹石的自修复复合材料的硬度为H钒1592.2，依据排水法测试该复合材料的实际密度约为3.71g/cm3。图2和图3为实施例一制得含蛇纹石的自修复复合材料分别对应于摩擦时间长为20min的条件下的磨痕表面的电子探针形貌，图2、图3及图6、图7说明该自修复复合材料磨痕表面都没有很深的犁沟和剥落凹坑，可以保证其在载荷为15-300N区间内具有良好的摩擦学性能，也表明了该自修复复合材料具有良好的自修复性能；另外，试样的磨损率可通过公式计算得到：
W＝V/(P·S)＝V·ρw/(P·S·ρw)＝Mw/(P·S·ρw)(1)
式中：V代表磨损体积，P代表载荷，S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和图7是本发明实施例一所制得含蛇纹石的自修复复合材料在20min磨损时间下的磨损率曲线和摩擦系数，图6和图7说明该含蛇纹石的复合材料在载荷5N条件下的磨损率和摩擦系数分别约为5.00×10-4mm3/(Nm)-1和0.43；含蛇纹石的自修复复合材料拥有较小的摩擦系数和较低的磨损率并具有优异的减磨抗磨性能。
本发明提供一种含蛇纹石的自修复复合材料的制备方法的实施例二，如图4、图5和图8，包括如下步骤：
1)以钛粉、铝粉、钼粉、钒粉、铬粉、铌粉和硼粉为基体原料，按照钛：铝：钼：钒：铬:铌:硼的质量分数比(Wt％)＝83.5：3：5：4.5：2：1：1均匀混料，称取7.515克钛粉、0.27克铝粉、0.45克钼粉、0.405克钒粉、0.18克铬粉、0.09克铌粉、0.09克硼粉，共计9克组分2，然后添加1克蛇纹石到组分2中，得到混合料；
2)将混合料和钢球放在真空钢质球磨罐中，低真空条件下在行星球磨机上湿磨3小时；湿磨介质为酒精；其中：球磨机转速约为1000r/min、球料质量比约为9:1、真空度约为25Pa；
3)将球磨后含钢球的混合浆料通过650目不锈钢筛子筛选清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度为0.025MPa，温度为120℃，时间为6小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将干燥好的粉末置于内直径为20mm的石墨磨具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结，其中烧结温度为1200℃、升温速率为210℃/min、烧结压力为60MPa、烧结时间为20min、真空度为1×10-1Pa，制备出含蛇纹石的自修复复合材料。
采用维氏硬度仪测试实施例二所制备的含蛇纹石钛铝基自修复复合材料的硬度为H钒1 559.6，依据排水法测量该复合材料的实际密度为3.58g/cm3。图7是实施例二制得含蛇纹石的自修复复合材料在载荷条件下动态摩擦系数曲线，说明该复合材料的摩擦系数较为平稳，数值比较接近0.3；另外，根据公式(1)计算出实施例二制备出的该复合材料的磨损率为3.38×10-4mm3/(Nm)-1；图4与图5是本发明在实施例二下制得的含蛇纹石的自修复复合材料在载荷5N与15N条件下的电子探针形貌；小的摩擦系数、低的磨损率与光滑的磨痕表面形貌，表明在实施例二下制备的复合材料表现出了优异的减磨抗磨性能。图7是实施例二所制得的含蛇纹石的自修复复合材料在载荷300N条件下磨痕表面的电子探针形貌，说明该复合材料摩擦磨损较小，表面生成了一层较为致密的自修复膜，从而获得了优异的减磨抗磨性能；图8是实施例二所制得的含蛇纹石的自修复复合材料在载荷300N条件下磨痕端口FESEM形貌，很清晰的看到基体组织以上覆盖了一层较为平整的自修复膜。
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)
1.一种含蛇纹石的自修复复合材料，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3/20:1/4；
所述组分1为蛇纹石；
所述组分2包括按重量比的82％～85％钛、2％～5％铝、4％～6％钼、4％～5％钒、1％～3％铬、0.5％～2％铌和0.5％～2％硼。
2.根据权利要求1所述的一种含蛇纹石的自修复复合材料，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所述的一种含蛇纹石的自修复复合材料，其特征在于，所述组分2包括83％钛、3％铝、4％钼、5％钒、2％铬、2％铌和1％硼。
4.根据权利要求1所述的一种含蛇纹石的自修复复合材料，其特征在于，所述组分2包括85％钛、4％铝、4％钼、4％钒、1％铬、1％铌和1％硼。
5.一种含蛇纹石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82％～85％钛粉、2％～5％铝粉、4％～6％钼粉、4％～5％钒粉、1％～3％铬粉、0.5％～2％铌粉和0.5％～2％硼粉，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所述的一种含蛇纹石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所述的一种含蛇纹石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350～650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所述的一种含蛇纹石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所述的一种含蛇纹石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～0.01MPa、干燥温度为40℃～120℃的真空干燥机内干燥4小时～6小时，得到粉末。
10.根据权利要求5所述的一种含蛇纹石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30MPa～60MPa，烧结温度为900℃～1200℃的条件下，烧结5分钟～20分钟。
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2018
- 2018-06-25 CN CN201810662047.2A patent/CN108842097A/zh active Pending
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