CN109265173A - 用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料制动耐磨部件适用SiC陶瓷连续骨架的制备方法，包括以下步骤：将质量分数0.02％的羧甲基纤维素溶液与质量比为9:1的SiC粉末和粘土混合，控制浆料固含量分数为60‑70％获得浆料，将预处理后的有机泡沫在浆料中多次浸渍后烘干，经烧结获得三维网络陶瓷连续骨架。相较于传统方法，本技术方案通过对浸渍前后有机泡沫的表面预处理以及碱性处理，避免了浆料中复杂添加剂的使用，在保证强度的同时，有效控制了预制体中缺陷产生以及形态特征，最终获得全通孔、高强度以及几何形态均匀、骨骼尺寸适中的SiC连续骨架，更好满足于复合材料制动耐磨部件的需要，提高其综合性能，尤其是制动过程的高温服役性能。

Description

用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，涉及一种用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法，特别是提供了一种用于复合材料制动耐磨部件的，具有全通孔、高强度及适中骨骼尺寸特征的SiC连续骨架制备方法。
背景技术
陶瓷增强金属基复合材料可以兼有金属基体和陶瓷增强相的性能优势，表现出丰富、优异且可调控的机械或物理性能，因此在机械制造、电子、汽车、航空航天、石油等工业领域都可以得到广泛应用。尤其是作为新型耐磨材料，陶瓷增强金属基复合材料在保持基体金属材料理想比热、良好导热、优异成形性等特点的同时，通过陶瓷增强相可以进一步优化强韧配合、提高耐磨性能、降低热膨胀系数等，因此获得了远优于传统耐磨材料的综合性能，成为制动耐磨部件用材体系的重点发展方向。
陶瓷增强金属基复合材料的增强相引入方式主要包括分散式的颗粒、晶须、纤维等以及连续式的三维连续骨架、纤维编织预制体等，其中由于陶瓷连续骨架具有更优异的高温稳定性以及良好的性价比，在金属基复合材料中应用更广。另外，相较于颗粒、晶须、纤维等分散方式，陶瓷三维连续骨架可以有效避免增强相空间分布不均引起的性能差异问题，因此在大尺寸、复杂形状复合材料铸造零部件成形中具有重要应用。而更为重要的是，通过应用连续骨架，在复合材料中可以形成陶瓷增强相与金属的相互贯穿，实现两相三维连续，从而更为有效地约束金属的塑性变形及软化行为，显著提高整体复合材料的高温服役性能，因此可以更好适用于制动耐磨部件。
作为制动耐磨部件用复合材料的陶瓷连续骨架，首先特别要求陶瓷骨架三维均匀连续，开孔率高且互通，以确保金属熔体可以充分贯穿流动，形成两相间优异且空间均匀的三维连续和交互，充分发挥陶瓷骨架对金属基体的约束作用，提高材料和部件在制动过程高温条件下的服役表现；其次在确保强度的基础上，连续骨架的骨骼不宜过分粗大且要尽可能降低陶瓷骨架中缺陷含量，从而避免在制动过程的复杂应力条件下，脆性陶瓷骨架破碎而形成磨粒磨损环境，恶化制动部件的制动耐磨性能和使用寿命。
目前有多种制备三维陶瓷连续骨架或陶瓷泡沫的方法(一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，201410308159.X；一种周期微桁架结构的陶瓷骨架增强金属复合材料，201310011069.X；一种制备耐高温铝熔液熔蚀-磨损铁基复合材料的方法，201410308135.4)，具体为将有连续贯穿气孔的有机泡沫作为前驱体浸渍陶瓷浆料，再将浸渍后的前驱体烧结而获得。但依据传统方法制备的陶瓷骨架在应用于制动耐磨部件时却存在几点明显不足，首先传统方法片面地追求陶瓷骨架的高强度，在制备浆料时会加入多种粘结剂，造成浆料黏度较大，使得浸渍环节有机泡沫沾浆量过多，烧结后陶瓷连续骨架的骨骼粗大，同时部分区域，尤其是骨架边沿区域极易发生闭孔堵塞现象；其次由于加入了过多的有机添加剂，在烧结过程中分解产生的气体量增加，从而在陶瓷骨架中引入大量的孔洞、裂纹等缺陷；这些都将严重恶化最终复合材料作为制动耐磨部件的使用性能。而通过对有机泡沫和浸渍预制体进行适当表面改性处理，在简化添加剂的同时，可以增强浆料与泡沫载体的结合强度以及涂覆的均匀性等，达到减少骨架中缺陷形成以及优化骨架空间尺寸和结构的目的，这在专注于添加剂配方的传统方法中却极少提及。
正是基于上述分析，本发明提供一种复合材料制动耐磨部件适用的，具有全通孔、高强度及适中骨骼尺寸特征的SiC连续骨架的制备方法，以期解决现存的相关技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法，从而解决现有技术局限而获得具有全通孔、高强度及适中骨骼尺寸特征的陶瓷预制体。
在通过对有机泡沫进行表面改性处理，以及高固含量、高触变性、低粘度特性的具有适当粘附性和良好流动性陶瓷浆料制备基础上，浆料均匀适量涂覆于有机泡沫前驱体上，经过碱性化处理保证浸润有机泡沫在烧结时具有适当强度，经过适当烧结工艺处理后获得强度高、缺陷少、几何结构均匀的金属基复合材料制动耐磨部件适用的理想SiC连续骨架或网络陶瓷预制体，以解决传统方法制备陶瓷连续骨架结构不均、骨架过粗，不适用于金属基复合材料耐磨部件生产的关键问题。
根据本发明一方面，提供了一种用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法，其特征在于包括以下步骤：
对有机泡沫进行表面预处理；
将表面预处理后的有机泡沫浸渍混合浆料充分结合以获得浸渍预制体；
利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理；
最后经烧结处理获得全通孔、高强度及适中骨骼尺寸的三维陶瓷连续骨架。
根据本发明另一方面，对有机泡沫进行表面预处理具体为，将有机泡沫放置在10wt.％NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，取出后反复揉搓冲洗，随后放置于0.05wt.％碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h，取出阴干后得表面预处理有机泡沫。
根据本发明另一方面，混合浆料通过以下步骤制备：SiC粉末和粘土粉末投入羧甲基纤维素溶液中，机械搅拌1-2h后得到混合浆料。
根据本发明另一方面，将表面预处理有机泡沫在混合浆料中进行2-3次挂浆后获得浸渍预制体。
根据本发明另一方面，混合浆料制备过程中，SiC与粘土质量比为9:1，羧甲基纤维素溶液浓度为0.02wt.％，浆料固含量为60-70％，机械搅拌转速为50-80r/min。
根据本发明另一方面，混合浆料制备过程中，配制羧甲基纤维素溶液进行12h静置处理。
根据本发明另一方面，利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理具体为，所述浸渍预制体在氨水创造碱性环境中密闭放置2-3h。
根据本发明另一方面，烧结处理具体为：将改性处理后的浸渍预制体在室温下阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干后，放置烧结炉中，以1℃/min升温速度加温至400℃，保温10-30min，继续以3-5℃/min速度加热至1000℃，随后以8-15℃/min加热至1400℃，保温30min后随炉冷却取样。
根据本发明另一方面，本发明还提供了一种复合材料制动耐磨部件适用SiC连续骨架的制备方法，其特征是将质量分数0.02％的羧甲基纤维素溶液与SiC粉末和粘土混合(SiC与粘土质量比为9:1)，控制浆料固含量分数为60-70％，将经过NaOH溶液和羧甲基纤维素溶液预处理后的有机泡沫浸渍在浆料中，机械挤压去除多余浆料后碱性化处理，最终烧结获得三维网络连续骨架。具体成型条件为将称取的羧甲基纤维素溶于去离子水(质量分数0.02％)，常温静置12h，将混合粉末分别加入其中，以50-80r/min的速度机械搅拌1-2h，将预处理有机泡沫进行2-3次沾浆后在氨水提供的碱性环境里密闭放置2-3h，然后室温阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干，将烘干后的浸润有机泡沫放置于烧结炉中，以1℃/min升温速度加温到400℃，保温10-30min后，以3-5℃/min升温速度加热到1000℃，随后以8-15℃/min速度加热到1400℃，保温30min后随炉冷却。其中对有机泡沫进行表面预处理方法为，将已加工成理想形状的有机泡沫洗净，放置在10wt.％的NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，将泡沫取出后反复揉搓并冲洗干净，随后放置于0.05wt.％的碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h，取出阴干备用。
本发明的积极效果体现在：
1.对浸渍后有机泡沫进行碱性处理，依据粘土在碱性条件下黏度增大的原理，将浸渍后有机泡沫放置在碱性环境中一定时间，能有效增大陶瓷粉末结合强度，在没有附加粘结剂的情况下保证烧结时预制体强度，避免了烧结过程中分解气体对预制体冲击造成的裂纹、坍塌等现象，同时也可以有效避免传统工艺中添加多种有机粘结剂而带来的气孔堵塞、骨架过粗等问题，以及烧结时大量粘结剂气化而在骨架中引入缺陷的不良影响。
2.对有机泡沫浸渍前进行表面预处理，通过NaOH溶液腐蚀增大结合面积，随后利用碱性羧甲基纤维素溶液在泡沫表面形成与浆料性质相近的薄膜，这就可以有效改善有机泡沫与陶瓷浆料间的物理化学状态差异，从而保证浆料可以均匀紧密地涂覆在有机泡沫上，在不添加粘结剂的条件下保证挂浆量以及涂覆强度，避免了传统方法中为提高挂浆量而大量添加有机粘结剂，造成浆料黏度过大，最终陶瓷连续骨架几何结构不均匀的缺陷。
3.本发明中只添加羧甲基纤维素作分散剂，避免或缓解了传统方法在陶瓷浆料中大量加入多种添加剂而带来的产品缺陷、工艺复杂、乃至环境污染等问题，因此更适用于短流程、低成本的规模化生产。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的工艺流程示意图。
具体实施方案
下面结合附图，通过优选实施例来描述本发明的最佳实施方式，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
优选地，本实施例提供了一种用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法，其特征在于包括以下步骤：
对有机泡沫进行表面预处理；
将表面预处理后的有机泡沫浸渍混合浆料充分结合以获得浸渍预制体；
利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理；
最后经烧结处理获得全通孔、高强度及适中骨骼尺寸的三维陶瓷连续骨架。
优选地，对有机泡沫进行表面预处理具体为，将有机泡沫放置在10wt.％NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，取出后反复揉搓冲洗，随后放置于0.05wt.％碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h，取出阴干后得表面预处理有机泡沫。
优选地，混合浆料通过以下步骤制备：SiC粉末和粘土粉末投入羧甲基纤维素溶液中，机械搅拌1-2h后得到混合浆料。
优选地，将表面预处理有机泡沫在混合浆料中进行2-3次挂浆后获得浸渍预制体。
优选地，混合浆料制备过程中，SiC与粘土质量比为9:1，羧甲基纤维素溶液浓度为0.02wt.％，浆料固含量为60-70％，机械搅拌转速为50-80r/min。
优选地，混合浆料制备过程中，配制羧甲基纤维素溶液进行12h静置处理。
优选地，利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理具体为，所述浸渍预制体在氨水创造碱性环境中密闭放置2-3h。
优选地，烧结处理具体为：将改性处理后的浸渍预制体在室温下阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干后，放置烧结炉中，以1℃/min升温速度加温至400℃，保温10-30min，继续以3-5℃/min速度加热至1000℃，随后以8-15℃/min加热至1400℃，保温30min后随炉冷却取样。
优选地，本发明还提供了一种复合材料制动耐磨部件适用SiC连续骨架的制备方法，其特征是将质量分数0.02％的羧甲基纤维素溶液与SiC粉末和粘土混合(SiC与粘土质量比为9:1)，控制浆料固含量分数为60-70％，将经过NaOH溶液和羧甲基纤维素溶液预处理后的有机泡沫浸渍在浆料中，机械挤压去除多余浆料后碱性化处理，最终烧结获得三维网络连续骨架。具体成型条件为将称取的羧甲基纤维素溶于去离子水(质量分数0.02％)，常温静置12h，将混合粉末分别加入其中，以50-80r/min的速度机械搅拌1-2h，将预处理有机泡沫进行2-3次沾浆后在氨水提供的碱性环境里密闭放置2-3h，然后室温阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干，将烘干后的浸润有机泡沫放置于烧结炉中，以1℃/min升温速度加温到400℃，保温10-30min后，以3-5℃/min升温速度加热到1000℃，随后以8-15℃/min速度加热到1400℃，保温30min后随炉冷却。其中对有机泡沫进行表面预处理方法为，将已加工成理想形状的有机泡沫洗净，放置在10wt.％的NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，将泡沫取出后反复揉搓并冲洗干净，随后放置于0.05wt.％的碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h，取出阴干备用。
实施例2
本实施例提供了一种铝基复合材料制动盘用SiC陶瓷连续骨架。
将剪切好的聚氨酯泡沫用清洁剂清洗干净后浸入10wt.％的NaOH溶液中，在70℃条件下保温4h，取出洗净后常温条件下浸入0.05wt.％的碱性羧甲基纤维素溶液中3h，洗净阴干备用；称取SiC粉末、粘土粉末、氧化铝粉末(助烧剂)按质量比8.5:1:0.5混合投入静置时间12h以上的0.02wt.％羧甲基纤维素溶液，使用浆式搅拌器以60r/min速率搅拌2h获得浆料；将预处理聚氨酯泡沫投入浆料中，浆料充满泡沫后挤压除去多余浆料，反复挂浆3次；将挂浆后的聚氨酯泡沫同浓氨水共同放置在封闭箱内，常温条件下保持2.5h后，取出并在室温条件下阴干12h，随后放入干燥箱内50℃干燥6h；将干燥后的浸润聚氨酯泡沫放入箱式电阻烧结炉内，缓慢升温至400℃，保温30min，然后以5℃/min的速度将温度上升到1000℃，随后以15℃/min的速度快速升温到1400℃左右，保温30min后随炉冷却，最终获得几何结构均匀、骨骼粗细理想、高通孔率、强度稳定在1.1Mpa的三维网络状SiC连续骨架，可适用于铝基复合材料制动盘的生产。
实施例3
本实施例提供了一种复合材料制动耐磨部件适用SiC陶瓷连续骨架的制备方法，属于复合材料领域。其特征是将质量分数0.02％的羧甲基纤维素溶液与质量比为9:1的SiC粉末和粘土混合，控制浆料固含量分数为60-70％获得浆料，将预处理后的有机泡沫在浆料中多次浸渍后烘干，经烧结获得三维网络陶瓷连续骨架。其中浆料具体工艺为将称取的羧甲基纤维素溶于去离子水(质量分数0.02％)，常温静置12h，将混合粉末加入其中，以50-80r/min的速度机械搅拌1-2h；有机泡沫预处理具体工艺为将有机泡沫洗净放置在10wt.％NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，揉搓冲洗后放置于0.05wt.％的碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h；浸渍具体工艺为将预处理有机泡沫进行2-3次沾浆后在氨水提供的碱性环境里密闭放置2-3h，然后室温阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干；烧结具体工艺为将烘干后的浸润有机泡沫放置于烧结炉中，以1℃/min的升温速度加温到400℃，保温10-30min后，以3-5℃/min的升温速度加热到1000℃，随后以8-15℃/min的速度加热到1400℃，保温30min后随炉冷却。相较于传统方法，本技术方案通过对浸渍前后有机泡沫的表面预处理以及碱性处理，避免了浆料中复杂添加剂的使用，在保证强度的同时，有效控制了预制体中缺陷产生以及形态特征，最终获得全通孔、高强度以及几何形态均匀、骨骼尺寸适中的SiC连续骨架，更好满足于复合材料制动耐磨部件的需要，提高其综合性能，尤其是制动过程的高温服役性能。
综上所述，本发明具有以下积极效果：
1.对浸渍后有机泡沫进行碱性处理，依据粘土在碱性条件下黏度增大的原理，将浸渍后有机泡沫放置在碱性环境中一定时间，能有效增大陶瓷粉末结合强度，在没有附加粘结剂的情况下保证烧结时预制体强度，避免了烧结过程中分解气体对预制体冲击造成的裂纹、坍塌等现象，同时也可以有效避免传统工艺中添加多种有机粘结剂而带来的气孔堵塞、骨架过粗等问题，以及烧结时大量粘结剂气化而在骨架中引入缺陷的不良影响。
2.对有机泡沫浸渍前进行表面预处理，通过NaOH溶液腐蚀增大结合面积，随后利用碱性羧甲基纤维素溶液在泡沫表面形成与浆料性质相近的薄膜，这就可以有效改善有机泡沫与陶瓷浆料间的物理化学状态差异，从而保证浆料可以均匀紧密地涂覆在有机泡沫上，在不添加粘结剂的条件下保证挂浆量以及涂覆强度，避免了传统方法中为提高挂浆量而大量添加有机粘结剂，造成浆料黏度过大，最终陶瓷连续骨架几何结构不均匀的缺陷。
3.本发明中只添加羧甲基纤维素作分散剂，避免或缓解了传统方法在陶瓷浆料中大量加入多种添加剂而带来的产品缺陷、工艺复杂、乃至环境污染等问题，因此更适用于短流程、低成本的规模化生产。
本发明不限于上述具体实施例。可以理解的是，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于复合材料制动耐磨部件的SiC连续骨架制备方法，其特征在于包括以下步骤：
对有机泡沫进行表面预处理；
将表面预处理后的有机泡沫浸渍混合浆料充分结合以获得浸渍预制体；
利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理；
最后经烧结处理获得全通孔、高强度及适中骨骼尺寸的三维陶瓷连续骨架。
2.依据权利要求1所述的制备方法，其特征是对有机泡沫进行表面预处理具体为，将有机泡沫放置在10wt.％NaOH溶液中，在60-80℃条件下保温3-8h，取出后反复揉搓冲洗，随后放置于0.05wt.％碱性羧甲基纤维素溶液中，室温静置2-4h，取出阴干后得表面预处理有机泡沫。
3.依据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是混合浆料通过以下步骤制备：SiC粉末和粘土粉末投入羧甲基纤维素溶液中，机械搅拌1-2h后得到混合浆料。
4.依据权利要求2所述的制备方法，其特征是将表面预处理有机泡沫在混合浆料中进行2-3次挂浆后获得浸渍预制体。
5.依据权利要求3所述的制备方法，其特征是混合浆料制备过程中，SiC与粘土质量比为9:1，羧甲基纤维素溶液浓度为0.02wt.％，浆料固含量为60-70％，机械搅拌转速为50-80r/min。
6.依据权利要求5所述的制备方法，其特征是混合浆料制备过程中，配制羧甲基纤维素溶液进行12h静置处理。
7.依据权利要求4所述的制备方法，其特征是利用碱性环境对浸渍预制体进行改性处理具体为，所述浸渍预制体在氨水创造碱性环境中密闭放置2-3h。
8.依据权利要求4所述的制备方法，其特征是烧结处理具体为：将改性处理后的浸渍预制体在室温下阴干12h，随后常压下60-80℃保温6-12h烘干后，放置烧结炉中，以1℃/min升温速度加温至400℃，保温10-30min，继续以3-5℃/min速度加热至1000℃，随后以8-15℃/min加热至1400℃，保温30min后随炉冷却取样。
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