一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，屬于陶瓷生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅是一種人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才證實(shí)隕石中及地殼上偶然存在碳化硅，由于碳化硅陶瓷具有諸多優(yōu)異的性能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工業(yè)、電子等各個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。碳化硅特種陶瓷是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料，該材料在高溫下強(qiáng)度和硬度高、蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕，是理想的工程用高溫結(jié)構(gòu)材料。由于碳化硅特種陶瓷有如此優(yōu)異的性能，已被國(guó)際上公認(rèn)為比金屬、硬質(zhì)合金、氧化鋁陶瓷更佳的機(jī)械密封性能。然而碳化硅陶瓷固有的高脆性制約了材料的機(jī)械加工性，很容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展，降低構(gòu)件的成品率，另外碳化硅陶瓷硬度高，加工過(guò)程必須使用金剛石刀具進(jìn)行精細(xì)加工，進(jìn)一步延長(zhǎng)了制作周期，所以復(fù)合化是改善單一陶瓷性能的重要途徑。本發(fā)明通過(guò)引進(jìn)短切碳纖維提高碳化硅的力學(xué)性能，提高材料的斷裂韌性，提高素坯的強(qiáng)度和致密度，抑制素坯制備中各種缺陷的產(chǎn)生，滿足機(jī)械加工要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明通過(guò)以下方案實(shí)施:
一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，由下列重量份的原料制成:碳化硅60-80、短切碳纖維預(yù)分散體10-15、燒結(jié)助劑2-4、三氧化二鋁1_3、碳化鎂2_4、甘油
2-3、聚乙烯醇1-3、云母粉2-3、鉀長(zhǎng)石粉5-7、無(wú)水乙醇15-25、去離子水50-70 ；
所述燒結(jié)助劑是由10-15重量份的氧化鋁、8-12重量份的硼化鋯、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亞甲基雙丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合攪拌均勻，加熱蒸去溶劑在10-15MPa下壓制成胚料，然后于600-800° C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
[0005]本發(fā)明所述短切碳纖維預(yù)分散體的制備方法為:將碳纖維短切為長(zhǎng)度在l_3mm，在500-600° C下低溫氧化1-2小時(shí)，再將其浸入體積比為3:7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去離子水反復(fù)沖洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面形成氧化鋯涂層，再將該碳纖維完全浸入水中，超聲波分散10-20分鐘，再加入碳纖維0.3-0.5倍重量份的0P-10乳化劑，繼續(xù)超聲分散1-2小時(shí)即可。
[0006]本發(fā)明所述一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，由以下具體步驟制成:
(I)將碳化硅、三氧化二鋁、碳化鎂、云母粉、鉀長(zhǎng)石粉和去離子水混合加到球磨罐中，以高純度氧化鋁磨球球磨2-3小時(shí)，再加入除短切碳纖維預(yù)分散體之外其余剩余的成分以300-400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行濕法混合，混合1-2小時(shí)； (2)將短切碳纖維預(yù)分散體加到步驟(I)中，轉(zhuǎn)速降低至100-200轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)球磨1-2小時(shí)，將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于保溫箱中于80° C下保溫30-50分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至重量不再減少；
(3)將步驟(2)得到的碳化硅陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，以20-25° C/min升溫至1600-1700° C，恒溫保持3_5小時(shí)，試樣隨爐冷卻即可得到。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明添加的短切碳纖維提高碳化硅的力學(xué)性能，提高陶瓷的斷裂韌性，提高素坯的強(qiáng)度和致密度，滿足機(jī)械加工要求，添加的鉀長(zhǎng)石粉具有降低坯體的可塑性和粘結(jié)性，減少坯體的干燥時(shí)的收縮變形，減少干燥時(shí)間的作用。
[0008]具體實(shí)施方案
下面通過(guò)具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0009]一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，由下列重量份(公斤)的原料制成:碳化硅76、短切碳纖維預(yù)分散體13、燒結(jié)助劑4、三氧化二鋁3、碳化鎂3、甘油3、聚乙烯醇2、云母粉3、鉀長(zhǎng)石粉6、無(wú)水乙醇20、去離子水70 ;
所述燒結(jié)助劑是由15重量份的氧化鋁、8重量份的硼化鋯、18重量份的碳粉混合研磨成300目粉末，加入0.6重量份的亞甲基雙丙烯酰胺和15重量份的乙醇溶液混合攪拌均勻，加熱蒸去溶劑在12MPa下壓制成胚料，然后于700° C下干燥粉碎成200目粉末即可。
[0010]本發(fā)明所述短切碳纖維預(yù)分散體的制備方法為:將碳纖維短切為長(zhǎng)度在3mm，在600° C下低溫氧化2小時(shí)，再將其浸入體積比為3:7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡I天后用去離子水反復(fù)沖洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面形成氧化鋯涂層，再將該碳纖維完全浸入水中，超聲波分散20分鐘，再加入碳纖維0.5倍重量份的0P-10乳化劑，繼續(xù)超聲分散2小時(shí)即可。
[0011]本發(fā)明所述一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，由以下具體步驟制成:
(1)將碳化硅、三氧化二鋁、碳化鎂、云母粉、鉀長(zhǎng)石粉和去離子水混合加到球磨罐中，以高純度氧化鋁磨球球磨3小時(shí)，再加入除短切碳纖維預(yù)分散體之外其余剩余的成分以400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行濕法混合，混合2小時(shí)；
(2)將短切碳纖維預(yù)分散體加到步驟(I)中，轉(zhuǎn)速降低至200轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)球磨I小時(shí)，將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于保溫箱中于80° C下保溫50分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至重量不再減少；
(3)將步驟(2)得到的碳化硅陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，以20°C/min升溫至1700° C，恒溫保持4小時(shí)，試樣隨爐冷卻即可得到。
[0012]本實(shí)施例中陶瓷的性能指標(biāo)結(jié)果如下:
硬度(GPa):43.2 ；
彈性模量(GPa):420 ；
抗折強(qiáng)度(MPa):220 ；
斷裂韌性(Mpa/m1/2):5.31 ；
熱膨脹系數(shù)(10_5/K):1.2 ；
熱傳導(dǎo)率(W/mK):100。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成:碳化硅60-80、短切碳纖維預(yù)分散體10-15、燒結(jié)助劑2-4、三氧化二鋁1_3、碳化鎂2-4、甘油2-3、聚乙烯醇1-3、云母粉2-3、鉀長(zhǎng)石粉5-7、無(wú)水乙醇15-25、去離子水50-70 ； 所述的燒結(jié)助劑是由10-15重量份的氧化鋁、8-12重量份的硼化鋯、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亞甲基雙丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合攪拌均勻，加熱蒸去溶劑在10-15MPa下壓制成胚料，然后于600-800° C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，其特征在于，所述短切碳纖維預(yù)分散體的制備方法為:將碳纖維短切為長(zhǎng)度在l_3mm，在500-600° C下低溫氧化1-2小時(shí)，再將其浸入體積比為3:7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去離子水反復(fù)沖洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面形成氧化鋯涂層，再將該碳纖維完全浸入水中，超聲波分散10-20分鐘，再加入碳纖維0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化劑，繼續(xù)超聲分散1-2小時(shí)即可。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，其特征在于，由以下具體步驟制成: (1)將碳化硅、三氧化二鋁、碳化鎂、云母粉、鉀長(zhǎng)石粉和去離子水混合加到球磨罐中，以高純度氧化鋁磨球球磨2-3小時(shí)，再加入除短切碳纖維預(yù)分散體之外其余剩余的成分以300-400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行濕法混合，混合1-2小時(shí)； (2)將短切碳纖維預(yù)分散體加到步驟(I)中，轉(zhuǎn)速降低至100-200轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)球磨1-2小時(shí)，將混合均勻的漿料在室溫下抽氣緩慢加到金屬模具中，然后置于保溫箱中于80° C下保溫30-50分鐘后脫模，在室溫下自然干燥至重量不再減少； (3)將步驟(2)得到的碳化硅陶瓷素坯置入反應(yīng)燒結(jié)爐中，將燒結(jié)爐抽真空，以20-25° C/min升溫至1600-1700° C，恒溫保持3_5小時(shí)，試樣隨爐冷卻即可得到。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種短纖維增強(qiáng)碳化硅密封環(huán)陶瓷件及其制備方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅60-80、短切碳纖維預(yù)分散體10-15、燒結(jié)助劑2-4、三氧化二鋁1-3、碳化鎂2-4、甘油2-3、聚乙烯醇1-3、云母粉2-3、鉀長(zhǎng)石粉5-7、無(wú)水乙醇15-25、去離子水50-70；本發(fā)明添加的短切碳纖維提高碳化硅的力學(xué)性能，提高陶瓷的斷裂韌性，提高素坯的強(qiáng)度和致密度，滿足機(jī)械加工要求，添加的鉀長(zhǎng)石粉具有降低坯體的可塑性和粘結(jié)性，減少坯體的干燥時(shí)的收縮變形，減少干燥時(shí)間的作用。
【IPC分類】C04B35-622, C04B35-80, C04B35-565
【公開號(hào)】CN104876615
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184858
【發(fā)明人】張波
【申請(qǐng)人】鳳陽(yáng)徽亨商貿(mào)有限公司
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年4月20日