一种金属陶瓷复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属陶瓷复合材料的制备方法。该方法包括：(1)将泡沫SiC陶瓷按照初级破碎、二级破碎和三级破碎的程序依次进行破碎，超声清洗，烘干，得尺寸为2mm‑15mm的椭球形SiC陶瓷块；(2)将步骤(1)得到的椭球形SiC陶瓷块进行预氧化和预腐蚀，清洗后得泡沫SiC陶瓷增强体，(3)将步骤(2)得到的泡沫SiC陶瓷增强体与金属混合，放入模具，在氮气气氛下，加热并施加压力，降温凝固脱模，抛光，得所述金属陶瓷复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种金属陶瓷复合材料的制备方法
本专利技术涉及材料领域，具体涉及一种金属陶瓷复合材料的制备方法。
技术介绍
金属陶瓷复合材料具有大大优于普通金属材料的优异耐磨性能，被认为是一种理想的耐磨制动材料，由该种材料制成的刹车盘等部件在高铁等领域具有广阔的应用前景。金属陶瓷复合材料中的陶瓷相作为增强相是提升金属陶瓷复合材料耐磨性的关键。此外，由于金属材料的导热性能普遍优异，因此，陶瓷相的热导率决定了复合材料的导热性能。SiC陶瓷具有优异的导热性和耐磨性能，作为金属陶瓷复合材料中的增强相具有很强的性能优势而备受人们重视，采用SiC陶瓷作为增强相的金属陶瓷复合材料也被认为是一种理想的耐磨制动材料。目前，按照增强相SiC在复合材料中的形态可以分为SiC颗粒增强金属陶瓷复合材料，即0-3型结构；和三维连续网络SiC增强金属陶瓷复合材料，即3-3型结构。0-3型结构在摩擦时存在SiC颗粒容易脱落的问题，而在制备3-3型结构复合材料的过程中，陶瓷在浸渍熔融金属过程中存在金属润湿问题，难以获得大型、均匀的产品。
技术实现思路
为此，本专利技术的目的在于提供一种新结构设计思路，即先将泡沫状SiC陶瓷破碎为椭球形SiC陶瓷块(2-15毫米级)，经进一步预氧化及预腐蚀处理后，将得到的泡沫状SiC陶瓷作为金属陶瓷复合材料的增强体，分散在连续相金属基体中，通过热压形成宏观是0-3结构，介观(毫米尺度)具有3-3结构特征的多形态复合结构，以此来制备性能良好的金属陶瓷复合材料，这样的结构设计既可以解决3-3型结构金属陶瓷复合材料中金属均匀浸渍多孔陶瓷的难题，也可解决传统0-3型结构金属陶瓷复合材料中由于SiC颗粒与金属基体结合弱，摩擦时陶瓷颗粒易脱落的问题。因此，本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一方面，本专利技术提供一种金属陶瓷复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将泡沫SiC陶瓷按照初级破碎、二级破碎和三级破碎的顺序依次进行破碎，超声清洗，烘干，得尺寸为2mm-15mm的椭球形SiC陶瓷块；(2)将步骤(1)得到的椭球形SiC陶瓷块进行预氧化和预腐蚀，清洗后得泡沫SiC陶瓷增强体，(3)将步骤(2)得到的泡沫SiC陶瓷增强体与金属混合，放入模具，在氮气气氛下，加热并施加压力，降温凝固脱模，抛光，得所述金属陶瓷复合材料。优选地，在步骤(1)中，所述泡沫SiC陶瓷通过以下步骤获得：1-1)预混液的配制：将单体与交联剂混合加入到去离子水中搅拌溶解，配置成预混液；1-2)混合球磨：将SiC粉体、分散剂、粘结剂与步骤1-1)配制的预混液一起倒入球磨机中，采用350r/min的转速，球磨6h后得到浆料；1-3)搅拌发泡：将步骤1-2)得到的浆料倒入烧杯中，放在磁力搅拌器上搅拌约0.5h后，依次加入发泡剂、引发剂和催化剂，先快速搅拌发泡然后慢速搅拌至气泡均匀，得发泡均匀的浆料；1-4)凝胶固化：将步骤1-3)得到的发泡均匀的浆料倒入模具中，在一定温度下凝胶固化，低温保湿干燥，脱模后干燥得到泡沫SiC陶瓷坯体；1-5)将步骤1-4)得到的泡沫SiC陶瓷坯体低温排胶，高温烧结，得泡沫SiC陶瓷。其中，优选地，在步骤1-1)中，所述单体为丙烯酰胺；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；单体：交联剂：去离子水的质量比为15:1:105。其中，优选地，在步骤1-2)中，所述分散剂为四甲基强氧化铵；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述SiC粉体：分散剂：粘结剂：步骤1-1)配制的预混液的质量比为120:1.5:1:100；所述混合球磨采用全方位行星式球磨机进行；所述混合球磨在以氧化铝球为介质的尼龙树脂球磨罐中进行。其中，优选地，在步骤1-3)中，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠；所述引发剂为过硫酸铵；所述催化剂为四甲基乙二胺；所述发泡剂：引发剂：催化剂：步骤1-2)得到的浆料的质量比为1.8：0.12：0.06：100；所述快速搅拌的转速为180-360r/min；所述慢速搅拌的转速为30-90r/min。其中，优选地，在步骤1-4)中，所述一定温度为25-40℃；所述低温保湿干燥于25-40℃下在75％的湿度下进行；所述低温保湿干燥的时间为36-48h。其中，优选地，在步骤1-5)中，所述低温排胶采用的温度为700℃，然后保温2h；所述高温烧结的温度为1600℃，然后保温5h。优选地，在步骤(1)中，所述初级破碎采用颚式破碎机进行；所述二级破碎采用对辊机进行；优选地，所述对辊机设定的对辊间隙为10mm-30mm，优选为12mm；所述三级破碎通过将泡沫SiC陶瓷放入气流磨中进行；优选地，所述气流磨设定的气流速度300-500m/s，更优选为400m/s；进一步优选地，采用气流磨破碎的时间为30s-180s，更优选为120s；所述超声清洗先采用无水乙醇超声清洗30分钟-60分钟，再用去离子水超声清洗20分钟-40分钟；优选地，在步骤(1)中，所述尺寸为3-10mm；优选地，在步骤(2)中，所述预氧化按照如下进行：将步骤(1)得到的椭球形SiC陶瓷块，在空气气氛下，在一定温度下氧化，使其表面覆盖一层氧化膜；进一步优选地，所述一定温度为1000℃-1300℃，更优选地为1100℃；优选地，在步骤(2)中，所述预腐蚀按照如下进行：将预氧化得到的SiC陶瓷块放入镍坩埚中，覆盖上碱，加热至碱呈熔融态，保温；进一步优选地，所述碱为NaOH和/或KOH，再进一步优选地，所述碱为质量比为1:1的NaOH与KOH的混合物；所述预腐蚀中保温的温度为200-400℃，优选为400℃；所述预腐蚀中保温的时间为1h-3h；优选为2h；优选地，在步骤(2)中，所述清洗采用去离子水进行。优选地，在步骤(3)中，所述金属为纯的金属Al粉或金属Al粉与其它金属粉体的混合物；进一步优选地，所述金属Al粉与其它金属粉体的混合物为向金属Al粉中添加了金属Mg粉、金属Si粉、金属Ti粉、金属Fe粉、金属W粉和金属Co粉中的一种或多种的混合物，更进一步优选地为向金属Al粉中添加了金属Mg粉、金属Si粉、金属Ti粉的混合物，再进一步优选地所述金属Al粉与其它金属粉体的混合物为重量比为85:10:4:1的Al粉、Mg粉、Si粉和Ti粉的混合物；所述加热为加热至温度为600-900℃，优选750℃，然后保温4h-7.5h，优选6h；所述加压为加压至压力为25MPa-40MPa，优选30MPa，然后保压10min-40min，优选15min；本专利技术具有以下优点：在本专利技术的方法中，三级破碎在气流磨中进行，在气流的作用下泡沫SiC陶瓷被反复碰撞、磨擦、剪切，产生颗粒修型效应，泡沫陶瓷棱角消失，呈近椭球形。粉碎后的泡沫陶瓷在风机抽力作用下随上升气流运动至分级区，在高速旋转的分选机产生的强大离心力作用下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属陶瓷复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：/n(1)将泡沫SiC陶瓷按照初级破碎、二级破碎和三级破碎的顺序依次进行破碎，超声清洗，烘干，得尺寸为2mm-15mm的椭球形SiC陶瓷块；/n(2)将步骤(1)得到的椭球形SiC陶瓷块进行预氧化和预腐蚀，清洗后得泡沫SiC陶瓷增强体，/n(3)将步骤(2)得到的泡沫SiC陶瓷增强体与金属混合，放入模具，在氮气气氛下，加热并施加压力，降温凝固脱模，抛光，得所述金属陶瓷复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属陶瓷复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将泡沫SiC陶瓷按照初级破碎、二级破碎和三级破碎的顺序依次进行破碎，超声清洗，烘干，得尺寸为2mm-15mm的椭球形SiC陶瓷块；
(2)将步骤(1)得到的椭球形SiC陶瓷块进行预氧化和预腐蚀，清洗后得泡沫SiC陶瓷增强体，
(3)将步骤(2)得到的泡沫SiC陶瓷增强体与金属混合，放入模具，在氮气气氛下，加热并施加压力，降温凝固脱模，抛光，得所述金属陶瓷复合材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述泡沫SiC陶瓷通过以下步骤获得：
1-1)预混液的配制：将单体与交联剂混合加入到去离子水中搅拌溶解，配置成预混液；
1-2)混合球磨：将SiC粉体、分散剂、粘结剂与步骤1-1)配制的预混液一起倒入球磨机中，采用350r/min的转速，球磨6h后得到浆料；
1-3)搅拌发泡：将步骤1-2)得到的浆料倒入烧杯中，放在磁力搅拌器上搅拌约0.5h后，依次加入发泡剂、引发剂和催化剂，先快速搅拌发泡然后慢速搅拌至气泡均匀，得发泡均匀的浆料；
1-4)凝胶固化：将步骤1-3)得到的发泡均匀的浆料倒入模具中，在一定温度下凝胶固化，低温保湿干燥，脱模后干燥得到泡沫SiC陶瓷坯体；
1-5)将步骤1-4)得到的泡沫SiC陶瓷坯体低温排胶，高温烧结，得泡沫SiC陶瓷。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤1-1)中，所述单体为丙烯酰胺；
所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；
单体：交联剂：去离子水的质量比为15:1:105；
优选地，其中，在步骤1-2)中，所述分散剂为四甲基强氧化铵；
所述粘结剂为聚乙烯醇；
所述SiC粉体：分散剂：粘结剂：步骤1-1)配制的预混液的质量比为120:1.5:1:100；
所述混合球磨采用全方位行星式球磨机进行；
所述混合球磨在以氧化铝球为介质的尼龙树脂球磨罐中进行；
优选地，其中，在步骤1-3)中，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠；
所述引发剂为过硫酸铵；
所述催化剂为四甲基乙二胺；
所述发泡剂：引发剂：催化剂：步骤1-2)得到的浆料的质量比为1.8：0.12：0.06：100；
所述快速搅拌的转速为180-360r/min；
所述慢速搅拌的转速为30-90r/min；
优选地，其中，在步骤1-4)中，所述一定温度为25-40℃；
所述低温保湿干燥于25-40℃下在75％的湿度下进行；
所述低温保湿干燥的时间为36-48h；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑彧，童亚琦，张跃，宋国强，张伟儒，张哲，
申请(专利权)人：北京中材人工晶体研究院有限公司，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11