一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法及其应用，由多级结构碳化硅纤维、氮化硅微球及硅基陶瓷浆料通过静电纺丝、溶胶凝胶、化学接枝及高温煅烧制成。碳化硅纤维其交织和交联结构能增加材料的结构稳定性，进而提高材料在高温环境中的抗弯强度。碳化硅纤维含有一定的孔隙率，能吸附和扩散烧结过程中产生的气体，减少气体的压力，从而降低材料的收缩率。借助氮化硅微球具有较低的密度和较高的孔隙度，可用于填充材料间的空隙阻碍其颗粒间的相互接触与结合，进而减少材料的烧结收缩率。且其表面含有氨基官能团能与硅基陶瓷材料表面的氧化物形成牢固的氢键，进而提高界面的相容性和结合强度，从而提高材料的抗弯强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密陶瓷材料铸造，具体为一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法及其应用。

技术介绍

1、近年来，随着我国航空航天事业的飞速发展，航空飞行器中发动机的研究受到高度重视。其中，军工航空发动机的需求增加使得部分航空发动机制造企业盈利较去年上涨20～30％，民用航空发动机的需求增加使得部分航空发动机制造企业盈利较去年上涨10.09％。对于航空发动机制备的材料中主要有陶瓷型芯材料。目前，常用的陶瓷型芯材料有氧化锆陶瓷型芯材料、氧化铝陶瓷型芯材料、硅基陶瓷型芯材料等。然而，上述单一的陶瓷型芯材料虽然具有良好的耐腐蚀性、低热导率等优点，但在使用过程中仍存在由于脆性高、高温易相转变、长时间烧结引起晶粒长大等因素引起的烧结收缩率高、高温抗弯强度低、易破裂等问题，进而影响发动机的耐高温特性。

2、鉴于上述陶瓷型芯材料的优缺点，研究者对于改性单一陶瓷型芯材料并合成高耐高温特性新型陶瓷型芯材料的研究在精密陶瓷型芯材料铸造领域中具有重要意义。目前，研究者通过对上述材料进行化学改性、加入增塑剂、粘结剂等方式得到新型陶瓷型芯材料。这些新型陶瓷型芯材料虽然高温抗弯强度、烧结收缩率有所提升，如由石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉混合并烧结制备的陶瓷型芯材料具有一定的抗弯强度(温度为1500℃时，抗弯强度为25～34mpa)及烧结收缩率(烧结收缩率为0.62％)，但在实际应用中仍存在于由于反应过程中高温引起相转化等导致的高温下抗弯强度差的问题。此外，由于基体材料在反应中产生气体且自身的孔隙率较大等因素引起高温烧结过程中，收缩率高的问题，进而限制其在精密陶瓷型芯材料铸造领域中的应用。

3、申请号为cn202210921970.x的中国专利《一种氧化硅基陶瓷型芯及其制备方法》将锆英粉、石英玻璃粉及表面形成有氧化铝涂层的石英玻璃纤维混合均匀制成陶芯素坯并烧结，得到陶瓷型芯材料。该陶瓷型芯材料在烧结过程中具有一定的抗变形能力(变形量为0.09～5.96mm)，但仍存在收缩率高、耐高温特性差的问题。

4、申请号为cn202210559518.3的中国专利《一种光固化3d打印氧化铝基陶瓷型芯及其制备方法》采用粗、中、细三种氧化铝陶瓷粉料进行级配得到光固化氧化铝基陶瓷型芯浆料，通过光固化3d打印、脱脂和烧结得到陶瓷型芯。该陶瓷型芯材料具有一定的抗弯强度(开口孔隙率34.4％时，其抗弯强度可达52.4mpa)，但仍存在由材料气孔率高引起在高温烧结过程中，孔隙中的气体膨胀的问题，进而增加材料的收缩率。此外，材料的高孔隙率易导致在烧结过程中收缩不均匀且应力集中，进而更进一步影响材料的收缩率，从而影响材料整体的抗弯强度，限制其在精密陶瓷材料铸造
中的应用。

5、申请号为cn202111419333.4的中国专利《一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺》采用石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉并使用增塑剂进行黏结混合，经过压制成型和烧结，得到陶瓷型芯材料。该陶瓷型芯材料具有良好的耐温特性(温度为1500℃时，抗弯强度为25～34mpa)，但仍存在由于石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉在混合过程中会形成颗粒堆积，在高温烧结时形成气孔或颗粒重新排列和重组，导致材料的体积变化，进而影响材料收缩率的问题(孔隙率31.5％时，烧结收缩率为0.62％)。此外，上述颗粒在混合过程中引起不同材料间发生界面反应和相变，进而材料的晶界和界面区域变脆，从而引起材料在使用过程中的抗弯强度低的问题。

6、申请号为cn202110047872.3的中国专利《一种尖晶石-镁基陶瓷型芯及其制备方法》以尖晶石粉末、氧化锆粉末、二氧化钛粉末及氧化镁粉末为原料，加入适量的粘结剂混合制备浆料，采用热压注成型及烧结的方式制备得到尖晶石-镁基陶瓷型芯。该陶瓷型芯材料具有良好的耐高温特性(1600～1950℃时，抗热震循环次数为18次)，但仍存在高温烧结时引起物质结构发生相变转化的问题，进而影响材料的烧结收缩率(烧结收缩率0.7％～3％)，从而限制其在精密陶瓷材料铸造
中的应用。

7、针对上述专利中陶瓷型芯材料存在由基体原料在混合烧结过程中产生气体及材料间产生界面反应和相变引起烧结收缩率高、高温下抗弯强度低的问题，设计一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料用于航空飞行器的发动机具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、本专利技术提供一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法及其应用，解决了现有陶瓷型芯材料高温烧结收缩率低、抗弯强度低等问题。本专利技术采用静电纺丝制备多级结构碳化硅纤维，其交织和交联结构能增加材料的结构稳定性，进而提高材料在高温环境中的抗弯强度。同时，多级结构碳化硅纤维含有一定的孔隙率，能吸附和扩散烧结过程中产生的气体，减少气体的压力，从而降低材料的收缩率。此外，制备用于接枝碳化硅纤维的氮化硅微球具有较低的密度和较高的孔隙度，可用于填充材料间的空隙阻碍其颗粒间的相互接触与结合，进而减少材料的烧结收缩率。同时，其表面含有氨基官能团能与硅基陶瓷材料表面的氧化物形成牢固的氢键，进而提高界面的相容性和结合强度，从而提高材料的抗弯强度。因此将二者结合，在高温作用碳基官能团断裂，形成活性碳中间体并与氮原子发生重组反应形成牢固的硅氧键、硅氮键及硅碳键，在碳化硅纤维表面形成一层氮化硅接枝层，增加纤维的表面活性和界面相容性，进而更进一步增加材料的高温抗弯强度，同时减少气体压力，从而更进一步降低材料的烧结收缩率。

2、本专利技术选用碳化硅和氮化硅制备复合纤维用于陶瓷型芯材料的制备。首先，制备的多级结构碳化硅纤维具有较高的表面积和孔隙结构且自身具有较高的熔点(在真空或惰性气体中可加热至1200～1500℃)和热稳定性(1200℃下，其抗弯强度可达1960～4410mpa)，进而在高温烧结过程中能降低材料的烧结收缩率。且其多级结构能在高温下维持纤维的结构完整性和力学性能，从而提高材料的高温抗弯强度。其次，借助氮化硅微球的低密度(3.12g/cm3)及高温下的热稳定性(1200℃下，其抗弯强度≥980mpa)，进而在高温烧结过程中减少颗粒间的相互碰撞和固相扩散，提高材料中界面的相容性和结合强度，从而进一步降低材料的烧结收缩率并提高材料的高温抗弯强度。综合上述具有多级结构的碳化硅纤维及氮化硅微球的优点，本专利技术通过将二者进行化学接枝修饰结合构建低收缩率、高抗弯强度的精密陶瓷型芯材料。

3、本专利技术提供一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，静电纺丝制备具有多级结构的碳化硅纤维：将正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯、无水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇和n,n-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜混合均匀后采用静电纺丝设备进行前驱体纤维制备，纺丝结束后，将所述前驱体纤维进行干燥和固化，固化后将其放置在含有硅粉的坩埚中并在纤维上方盖上碳纤维板；将坩埚埋于装有石墨粉的匣钵内进行渗硅反应，得到具有多级结构的所述碳化硅纤维；

5、步骤s2，溶胶凝胶法制备氮化硅陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤S1的具体制备过程包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤S2的具体制备过程包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤S3的具体制备过程包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为三(3-巯基丙酸)丙基三甲氧基硅烷、三氯甲基硅烷及三(2-氨乙基)氨丙基三甲氧基硅烷中的一种；

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤S4的具体制备过程包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤S1中得到的所述碳化硅纤维长度为20～200μm，直径为0.1～2μm。

8.采用权利要求1-7任一项所述制备方法制备的精密陶瓷型芯材料在精密陶瓷材料铸造中的应用。

【技术特征摘要】

1.一种低收缩率的高抗弯强度精密陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤s1的具体制备过程包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤s2的具体制备过程包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤s3的具体制备过程包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，汪东红，姜淼，蔡稷惟，刘照伟，张洁玉，汤玉斐，赵康，
申请(专利权)人：嘉善鑫海精密铸件有限公司，
类型：发明
国别省市：