碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅，它由以下质量比的原材料制成：ＳｉＣ微粉∶硼粉∶炭黑∶酚醛树脂∶甲醇为１００∶０．３～３∶１～５∶５～１０∶１２０，并在制成品内部形成体积含量为２％～２０％的微孔和含有体积含量为２％～２５％的碳纤维，所述微孔的大小为５～２００微米；其制备方法为：以碳化硅微粉为基料，用硼粉、炭黑为烧结剂，酚醛树脂为粘接剂，甲醇为溶剂，混成浆料，再加入碳纤维搅拌，烘干后混匀石蜡造孔剂，干压或等静压成型，常压烧结即成。该碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅能显著提高常压烧结碳化硅材料的润滑性能和承受干摩擦能力，且使本材料保持很强的机械性能。

Carbon fiber reinforced porous type atmospheric pressure sintered silicon carbide and preparation method thereof

The invention discloses a carbon fiber reinforced porous SiC SiC, it consists of the following raw materials made of mass ratio: SiC powder: boron powder: carbon black: phenolic resin: methanol is 100: 0.3 to 3: 1 to 5: 5 to 10: 120, and in the internal formation of manufactured goods volume content is 2% ~ 20% micro and containing volume content is 2% ~ 25% of the carbon fiber, the pore size of 5 to 200 microns; the preparation method is as follows: the silicon carbide powder as binder, with boron powder and carbon black as sintering agent, phenolic resin binder, methanol as solvent, slurries, adding carbon fiber after mixing, drying and mixing paraffin pore pressure or dry isostatic pressing, pressureless sintering is formed. The carbon fiber reinforced porous sintered silicon carbide can obviously improve the lubrication performance of the atmospheric pressure sintered silicon carbide material and bear the dry friction ability, and maintain the strong mechanical performance of the material.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷材料
中一种工程陶瓷材料及其制备方法，具体讲是一种。
技术介绍
由于常压烧结碳化硅材料具有高强、高硬、耐高温以及几乎耐所有化学介质的突出性能，因此，已广泛应用于航空航天、核电、石油化工、汽车、船舶、冶金等领域。为了进一步扩大其在高参数、重负荷工况及各种尖端
的应用范围，各种个性化、功能型常压烧结碳化硅新型改性材料及复合材料又成为世界各国特别是欧美发达国家业内专家的关注焦点和研发重点。美国和德国作为现代工程陶瓷材料研究和应用的强国，都先后分别开发成功多孔型常压烧结碳化硅材料和加碳型常压烧结碳化硅材料，主要用于制作机械密封磨擦付及陶瓷轴承，其目的是改善材料的磨擦性能。但二种材料受各自减磨效应作用条件的限制及分别因孔的存在和碳颗粒的加入导致材料机械性能的下降而束缚了其应用价值的提升多孔型常压烧结碳化硅材料其工作原理是，当摩擦付之间流体充分的时候，微孔通过流体动压效应调节磨擦付之间的液膜，从而降低磨擦系数，减少摩擦功耗；当流体不充分的时候，则通过微孔的蓄液作用改善润滑条件。其缺陷是，1、如果磨擦付工作一开始就缺液，也就是说，在微孔尚没有蓄液的情况下发生干磨，那么材料将失去减磨效应；2、微孔往往是陶瓷材料裂纹的起点，机械性能缺陷易在微孔处产生、扩展，最终导致材料破坏，所以微孔的存在势必会导致陶瓷材料机械性能的下降。加碳型常压烧结碳化硅材料其工作原理是，利用碳石墨的自润滑性能提高常压烧结碳化硅材料承受干磨擦的能力；在磨擦付工作状态处于边界磨擦时则可起到降低磨擦系数，减少磨损的作用。其缺陷是，1、碳石墨虽属于固体减磨材料，但当摩擦付之间流体充分的时候，加碳型常压烧结碳化硅材料中的碳石墨颗粒却基本上不起作用；2、碳石墨颗粒本身强度较低，而且加碳型常压烧结碳化硅烧结后碳石墨颗粒与碳化硅基体之间易形成薄弱交界，成为缺陷的起源地，所以材料的机械性能明显降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺陷，提供一种能显著提高常压烧结碳化硅材料的润滑性能和承受干摩擦的能力，且使常压烧结碳化硅材料保持很强的机械性能的碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅。本专利技术要解决的另一技术问题是，提供一种碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅的制备方法。本专利技术的技术方案是，提供一种碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅，它由以下质量比的原材料制成SIC微粉∶硼粉∶碳黑∶酚醛树脂∶甲醇为100∶0.3～3∶1～5∶5～10∶120，并在(材料)制成品内部形成体积含量为2％～20％的微孔和含有体积含量为2％～25％的碳纤维，所述微孔的大小为5～200微米。所述原材料的质量比优选为SIC微粉∶硼粉∶碳黑∶酚醛树脂∶甲醇为100∶1～2∶2～3.5∶6.5～8.5∶120，并在制成品内部形成体积含量为6％～15％的微孔和含有体积含量为6％～15％的碳纤维，所述微孔的大小为30～130微米。所述SIC微粉即碳化硅微粉的直径优选小于0.68微米，纯度优选大于99％。本专利技术的另一技术方案是，提供一种碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅的制备方法，以碳化硅微粉为基料，用硼粉、碳黑为烧结剂，酚醛树脂为粘接剂，甲醇为溶剂，混成浆料，再加入碳纤维搅拌，烘干后混匀石蜡造孔剂，干压或等静压成型，常压烧结即成；其具体工艺步骤如下1)、按SIC微粉∶硼粉∶碳黑∶酚醛树脂∶甲醇为100∶0.3～3∶1～5∶5～10∶120的质量比混合成浆料；2)、在浆料中加入体积含量为2％～25％的碳纤维并搅拌均匀；3)、将步骤2)的浆料烘干后与体积含量为2％～20％的石蜡造孔剂搅拌均匀获得混合粉；4)、干压或等静压成型，压力为80～200MPa，保压2～20秒；5)、在2010～2200℃常压烧结，获得碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅材料炉内气压200～800mbar；升温速率常温至600℃100～200℃/小时；600～1000℃300～400℃/小时；1000～1900℃400～500℃/小时；1900～2000℃200℃/小时；2000度以上100℃/小时；最后保温30～60分钟。优选采用以下工艺参数及具体工艺步骤1)、按SIC微粉∶硼粉∶碳黑∶酚醛树脂∶甲醇为100∶1～2∶2～3.5∶6.5～8.5∶120的质量比混合成浆料；2)、在浆料中加入体积含量为6％～15％碳纤维并搅拌均匀；3)、将步骤2)的浆料烘干后与体积含量为6％～15％石蜡造孔剂搅拌均匀获得混合粉；4)、干压或等静压成型，压力为120～140MPa，保压10～15秒；5)、在常压及2030～2060℃温度下烧结，获得碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅材料炉内气压200～300mbar；升温速率常温至600℃100℃/小时；600～1000℃300℃/小时；1000～1900℃400℃/小时；1900～2000℃200℃/小时；2000℃以上100℃/小时；最后保温50～60分钟。所述碳纤维的长径比优选为25∶1。所述石蜡造孔剂的石蜡颗粒范围优选为5～200微米；所述石蜡造孔剂的石蜡颗粒范围进一步优选为30～130微米。上述步骤1)中的混合可采用球磨混合机，使用直径为5～15mm的SIC磨球，转速50～120rpm，混合时间30～50小时。上述步骤2)中的搅拌可采用超声波搅拌机，转速为100～300rpm，搅拌时间为3～6小时。上述原料的质量比是经过多次反复试验得出的，实验证明过多或过少的硼粉均不利于材料烧结致密；而碳黑的比例和原料的氧份含量有关，原料氧份含量高，则需要较多的碳黑，反之可降低碳黑的添加量；酚醛树脂主要用于改善材料的成型性能，如果量过少，混合料难以压制成型，素坯缺少强度，而如果量过多，则会造成粘模现象，同样造成成型问题。碳纤维加入过少，无法形成足够的减磨效应和强化效应，但碳纤维加入过多，则会使新材料丧失碳化硅陶瓷的基本性能，因此碳纤维加入量控制在2％～25％之间。造孔剂加入过少，材料中无法形成足够的微孔，难以达到理想的减磨效应，但如果过多，则会降低材料的机械性能或使新材料阻漏承压能力过低，因此微孔体积含量控制在2％～20％之间。本专利技术中碳纤维对碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅材料增强的机理为a、纤维拨出增强纤维在外界负载作用下从基质中拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量，从而达到增强目的，其增强效果受纤维与界面滑动阻力的影响；b、纤维桥接增强当基质断裂时，纤维可承受外界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用，桥接的纤维可对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。本专利技术与以上现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果本专利技术碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅同时在常压烧结碳化硅材料中形成微孔和加入碳纤维，通过微孔蓄液动压减磨效应和碳石墨固体润滑效应，使本专利技术的新材料无论在“启动缺液”、“过程断流”或“流体充分”的工况下均能起到良好的减磨效果。克服了上述现有技术的单纯微孔型和单纯加碳型材料对工况条件的依赖。本专利技术碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅用碳纤维代替碳颗粒来提高材料的强度，避免碳颗粒的导入对材料机械性能的损伤，弥补微孔带来的负面影响，从而使本专利技术的新材料的综合性能得以提高，提升了材料的应用价值，拓展了应用空间。本专利技术碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅通过碳石墨固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维增强多孔型常压烧结碳化硅，其特征在于，它由以下质量比的原材料制成：ＳＩＣ微粉∶硼粉∶碳黑∶酚醛树脂∶甲醇为１００∶０．３～３∶１～５∶５～１０∶１２０，并在制成品内部形成体积含量为２％～２０％的微孔和含有体积含量为２％～２５％的碳纤维，所述微孔的大小为５～２００微米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邬国平，
申请(专利权)人：邬国平，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]