一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及陶瓷复合材料技术领域，公开了一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料及制备方法和应用。本发明专利技术引入了改性碳纤维加入赛隆陶瓷中，解决了现有技术中赛隆陶瓷材料性能不足的问题，通过对碳纤维表面处理，解决了碳纤维与赛隆陶瓷高温反应及其界面匹配问题，得到了一种低成本、高性能的碳纤维/赛隆陶瓷复合材料。本发明专利技术采用碳纤维/赛隆陶瓷复合材料作为原料制备摩擦焊搅拌头，碳纤维/赛隆陶瓷复合材料具有较好的韧性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高温抗氧化性，本发明专利技术制备得到的碳纤维/赛隆陶瓷复合材料搅拌头耐高温(1000℃以上)、强度及韧性高、耐磨性好、使用寿命长，本发明专利技术的制备工艺成本低、制备工艺简单、参数可控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷复合材料
，更具体地，涉及一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料及制备方法和应用。
技术介绍
赛隆陶瓷在高温下具有硬度高、韧性好、蠕变小、抗热震抗氧化性强、膨胀系数小、化学稳定性高、耐磨损、耐腐蚀等优越的物理化学性能。且其工艺方法成熟可控、原料国产化程度高、成本相对低廉。因此，赛隆陶瓷是当前替代现有耐高温搅拌头材料，制备高性能低成本搅拌摩擦焊搅拌头的最理想材料体系。但赛隆陶瓷搅拌头仍存在脆性大的不足，这严重限制其推广应用，迫切需要改善其韧性。碳纤维具有密度低、强度和模量高，高温稳定性好，无蠕变，耐疲劳和耐腐蚀性好等优点，目前广泛应用于陶瓷基复合材料中，大量研究表明可明显提高陶瓷材料的强度和韧性等综合性能。当前高性能船舶的快速发展不仅取决于铝合金等高强度新材料的应用，还依赖于其焊接技术的进步。但高速铝合金船舶存在铝钢两种异种金属焊接难题，搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接方法，它基本不受材料物理化学性能、机械性能及晶体结构等因素的影响，对于异种材料的焊接具有极大的优势。因此，搅拌摩擦焊是解决当前高速船舶铝钢焊接难题的首选连接技术。搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”，其材料和结构是搅拌摩擦焊技术的核心。搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因此要求用来制造搅拌头的材料需具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性、良好的抗磨损能力和耐高温性等。对于铝钢焊接，由于钢为高熔点材料，在焊接时最高温度可达1000℃以上。当前常用的搅拌头材料主要为钨基材料和立方氮化硼。但钨价格昂贵，且钨难以进行机械加工，难成型异形尺寸件，而搅拌头均为异形结构，因此钨基合金搅拌头制造成本很高。立方BN搅拌头高温稳定性和耐磨性好，高温强度和硬度高，但制造立方BN需要高温高压，且成型异形尺寸件也较困难。因而立方BN搅拌头制造成本也很高，价格昂贵。因此，迫切需求发展新型高性能耐高温搅拌摩擦焊搅拌头材料及其低成本、可控制备技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有赛隆陶瓷的材料性能不足，提供一种低成本、高性能碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法。本专利技术还提供一种碳纤维/赛隆陶瓷搅拌摩擦焊搅拌头的制备方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方法来解决：提供一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1.碳纤维表面处理：对碳纤维进行表面处理，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维，然后进行短切；S2.原料配制及混合：按照赛隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6计算并称取称量相应的Si3N4、AlN和Al2O3，加入Y2O3后得到混料，以无水乙醇为球磨介质将混料进行球磨，并在球磨过程中加入步骤S1的改性碳纤维，球磨完成后进行干燥处理，得到的粉体密封待用；S3.生坯压制：将经步骤S2制得的粉体进行干压成形，得到生坯；S4.烧结成型：将步骤S3制得生坯放入惰性气体气氛炉进行两步法烧结成型；其中，S1所述碳纤维表面制备SiC涂层的方法包括以下步骤：S11.将碳纤维放入化学气相沉积炉中；然后采用三氯甲基硅烷、氢气和氩气作为沉积气源进行沉积改性反应，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维。步骤S1碳纤维表面的处理，解决了碳纤维与赛隆陶瓷高温反应及其界面匹配问题，成功地将碳纤维加入到赛隆陶瓷当中，碳纤维具有密度低、强度和模量高，高温稳定性好，无蠕变，耐疲劳和耐腐蚀性好等优点，明显提高了赛隆陶瓷材料的强度和韧性等综合性能，改善了其脆性。步骤S2中采用分子式Si4Al2O2N6的赛隆陶瓷原因在于低Z值系列(Z＝0.3，Z＝0.6)的β-Sialon在烧结过程中易形成Y2SiAlO5N(B相)，Y2SiAlO5N(B相)对材料的韧性不利，须通过控制工艺参数避免Y2SiAlO5N(B相)的生成,高Z值系列(Z＝3，4)的β-Sialon在烧结过程中易形成Si2Al3O7N和AlN多型体，其对β-Sialon材料的力学性能不利。优选地，步骤S1所述短切长度为2～4mm。优选地，步骤S2所述Y2O3为3～6wt％。优选地，步骤S2所述球磨还包括以下步骤：S21.将混料、研磨球和球磨介质按照质量比1:1.5:2装入球磨罐中；所述研磨球选用不同大小的刚玉，所述球磨介质选用无水乙醇，所述球磨罐选用聚四氟乙烯球磨罐；S22.将装好的球磨罐密封放入行星式球磨机中球磨20～24小时。优选地，步骤S2干燥处理是指在80℃烘箱中干燥6～10小时。优选地，S3所述干压成形是指将粉体置于Ф30mm钢模内，40MPa压力下，干压预成型。优选地，步骤S4所述两步法烧结成型是指第一步将生坯放置在氮气压为0.1～2.1MPa，温度1150℃～1850℃，升温速率为10℃/min，保温1小时，第二步放置在氮气压为2.1～8.0MPa，温度1400℃～1830℃，升温速率为10℃/min，保温1小时。优选地，步骤S12所述沉积改性反应是指控制三氯甲基硅烷、氢气和氩气的流量比为1:1.5～2:2～4，沉积温度为1000～1100℃、沉积压力为700～1000Pa，沉积时间为2～4小时。优选地，步骤S2所述加入碳纤维的重量为1～6wt％。本专利技术同时提供应用所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，制备得到低成本、高性能碳纤维/赛隆陶瓷复合材料。一种碳纤维/赛隆陶瓷搅拌摩擦焊搅拌头的制备方法，将所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料按设计的搅拌头外形结构和尺寸，在数控机床上进行精加工，得到碳纤维/赛隆陶瓷搅拌摩擦焊搅拌头。本专利技术采用碳纤维/赛隆陶瓷作为原料制备摩擦焊搅拌头，所述碳纤维/赛隆陶瓷摩擦焊搅拌头具有较好的韧性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高温抗氧化性，而且赛隆陶瓷和碳纤维原材料价格低廉，来源广泛。本专利技术的有益效果：本专利技术引入了改性碳纤维加入赛到隆陶瓷中，解决了现有技术中赛隆陶瓷材料性能不足的问题，相比现有的赛隆陶瓷材料，加入改性碳纤维后在保持了现有赛隆陶瓷材料优越性能的基础上还极大提高了韧性。碳纤维具有密度低、强度和模量高，高温稳定性好，无蠕变，耐疲劳和耐腐蚀性好等优点，提高了赛隆陶瓷的强度和韧性等综合性能，改善其脆性，本专利技术通过对碳纤维表面处理，解决了碳纤维与赛隆陶瓷高温反应及其界面匹配问题，得到了一种低成本、高性能碳纤维/赛隆陶瓷复合材料。本专利技术针对现有耐高温搅拌头原材料成本高昂、制备工艺复杂、难加工及加工量大，制造成本高昂问题，提供一种低成本、制备工艺简单、参数可控的赛隆陶瓷搅拌头的工艺方法，所制备的搅拌头具有较好的韧性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高温抗氧化性，而且赛隆陶瓷和碳纤维原材料价格低廉，来源广泛。本专利技术的制备工艺简单、参数可控，且通过原材料组元设计及制备工艺参数调整，易实现搅拌头的组织结构和性能的优化和调控；本专利技术制备的碳纤维/赛隆陶瓷复合材料搅拌头耐高温(1000℃以上)、强度及韧性高、耐磨性好、使用寿命长。具体实施方式下面结合具体实施例进一步详细说明本专利技术。除非特别说明，本专利技术实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。实施例1本实施例提供一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.碳纤维表面处理：对碳纤维进行表面处理，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维，然后进行短切；S2.原料配制及混合：按照赛隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6计算并称取称量相应的Si3N4、AlN和Al2O3，加入Y2O3后得到混料，以无水乙醇为球磨介质将混料进行球磨，并在球磨过程中加入步骤S1的改性碳纤维，球磨完成后进行干燥处理，得到的粉体密封待用；S3.生坯压制：将经步骤S2制得的粉体进行干压成形，得到生坯；S4.烧结成型：将步骤S3制得生坯放入惰性气体气氛炉进行两步法烧结成型；其中，S1所述碳纤维表面制备SiC涂层的方法包括以下步骤：S11.将碳纤维放入化学气相沉积炉中；然后采用三氯甲基硅烷、氢气和氩气作为沉积气源进行沉积改性反应，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.碳纤维表面处理：对碳纤维进行表面处理，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维，然后进行短切；S2.原料配制及混合：按照赛隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6计算并称取称量相应的Si3N4、AlN和Al2O3，加入Y2O3后得到混料，以无水乙醇为球磨介质将混料进行球磨，并在球磨过程中加入步骤S1的改性碳纤维，球磨完成后进行干燥处理，得到的粉体密封待用；S3.生坯压制：将经步骤S2制得的粉体进行干压成形，得到生坯；S4.烧结成型：将步骤S3制得生坯放入惰性气体气氛炉进行两步法烧结成型；其中，S1所述碳纤维表面制备SiC涂层的方法包括以下步骤：S11.将碳纤维放入化学气相沉积炉中；然后采用三氯甲基硅烷、氢气和氩气作为沉积气源进行沉积改性反应，得到表面具有SiC涂层的改性碳纤维。2.根据权利要求1所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述沉积改性反应是指控制三氯甲基硅烷、氢气和氩气的流量比为1:1.5～2:2～4，沉积温度为1000～1100℃、沉积压力为700～1000Pa，沉积时间为2～4小时。3.根据权利要求1所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1所述短切长度为2～4mm。4.根据权利要求1所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述Y2O3为3～6wt%，所述改性碳纤维为1～6wt%。5.根据权利要求1所述碳纤维/赛隆陶瓷复合材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：银锐明，周伟，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43