[發明專利]一種纖維增韌碳化硅陶瓷葉輪及其凝膠注模成型制備方法

有效

• 申請號: 201710190216.2
• 申請日: 2017-03-27
• 公開（公告）號: CN106946571B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 周敏
• 申請（專利權）人: 安徽陶普新材科技有限公司
• 主分類號: C04B35/565
• 分類號: C04B35/565;C04B35/628;C04B35/63;F04D29/02
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 崇鑫;劉希慧

本發明公開了一種纖維增韌碳化硅陶瓷葉輪的凝膠注模成型制備方法，包含：將碳化硅粉體、燒結助劑等混合后，球磨得到碳化硅陶瓷漿料；將短切碳纖維、偶聯劑等攪拌均勻，加入碳化硅陶瓷漿料中得到第一混合物料，球磨，噴霧干燥得到預處理陶瓷?纖維復合粉體；將預處理陶瓷?纖維復合粉體和單體、熱分解自由基引發劑、去離子水攪拌，點燃聚合反應，取出聚合體；將聚合體洗滌，除去均聚物，干燥得到接枝改性后的復合陶瓷粉體；將接枝改性后的復合陶瓷粉體、單體等攪拌，抽真空脫氣得到第二混合物料，加入熱分解自由基引發劑混合均勻，固化，脫膜，干燥，真空脫膠，燒結，冷卻得到纖維增韌碳化硅陶瓷葉輪。

技術領域

本發明涉及陶瓷基復合材料技術領域，尤其涉及一種纖維增韌碳化硅陶瓷葉輪及其凝膠注模成型制備方法。

背景技術

碳化硅陶瓷材料因硬度高、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、高熱導等一系列優異性能，在航空、航天、軍事、化工、石油及核能領域有重要應用。特別是化工、石油及核電站經常需要將高溫、強酸堿性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高溫、耐強酸堿腐蝕、耐磨損的陶瓷泵。無壓燒結碳化硅是制備陶瓷泵過流部件的理想候選材料，但由于SiC陶瓷分子結構的鍵合特點，導致其缺乏塑性變形能力，表現出較大的脆性，從而嚴重影響了其作為結構材料的應用。

碳纖維具有低密度、高比強度和比模量、耐高溫、耐化學腐蝕、導熱和導電性能優良、熱膨脹系數小等特點，是一種重要的復合材料增強體。碳纖維以及碳纖維復合材料在核電、航空航天、國防軍工、機械制造等領域都有廣泛的應用。用碳纖維增強增韌SiC陶瓷，可使材料在斷裂過程中通過裂紋偏轉、纖維斷裂和纖維拔出等機理吸收能量，既增強了材料的強度和韌性，又保持了SiC陶瓷良好的高溫強度、高溫穩定性和高溫抗氧化能力。

陶瓷材料另外的一個問題是燒結后機加工難度大，如何制備出滿足性能要求、形狀復雜精確的大尺寸陶瓷部件，一直是工業界的一個難題。凝膠注模成型是近年來倍受關注的一種近凈成型技術，該技術是由美國橡樹嶺國家實驗室于20世紀90年代初發明的一種膠態快速成型技術，將傳統的粉體成型工藝與聚合物化學結合起來，把高分子單體的聚合反應特點應用到粉體成型領域中。其技術原理是利用有機單體在聚合成三維網狀的聚合物的同時，將分散均勻的粉體懸浮液中的顆粒包裹，從而使之原位固化，形成具有粉體與高分子物質復合結構的坯體。該工藝具有所需設備簡單、成型坯體組成均勻、缺陷少、不易變形、近凈尺寸成型復雜形狀結構件及實用性強等突出優點，受到國內外學術界和工業界的廣泛關注。目前，凝膠注模成型技術已廣泛地應用于A1₂O₃、ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄等氧化物或非氧化物的精密陶瓷結構件的生產體系中。我們小組采用凝膠注模成型技術制備出純SiC陶瓷葉輪(CN102875150B)，顯示出了優異的耐高溫、耐腐蝕、抗磨損性能。但由于碳化硅脆性大，在實際使用中極易發生無預兆性突然脆斷，嚴重影響了生產的穩定性和連續性，急迫需要解決碳化硅陶瓷的脆性問題。為此，我們向碳化硅基體中引入短切碳纖維，通過纖維對裂紋的偏轉和縫合及纖維拔出提高陶瓷的斷裂韌性(Li X,Yan Q,Cao M,et al.The influenceof granulation on the gelcasting of pressureless-sintered silicon carbideceramics[J].Ceramics International,2014,40(5):7245-7251.)。研究中發現超細陶瓷粉體和短切碳纖維由于顆粒細小，具有很大的表面能，粒子間的自聚集作用很強，導致SiC陶瓷粉體和短切碳纖維很難均勻分散在凝膠體系中。纖維添加量必須高于5％時，則難以燒結致密化，強度和韌性降低。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種纖維增韌碳化硅陶瓷葉輪及其凝膠注模成型制備方法，對粉體進行表面處理，通過接枝聚合向碳化硅陶瓷粉體和碳纖維表面引入高分子聚合物，進而提高了粉體在凝膠體系中的分散性，提高固含量和纖維加入量，滿足了纖維增韌SiC陶瓷葉輪對均勻性的苛刻要求。