[发明专利]一种纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环及制备方法，可用于高温、高压、高转速、强腐蚀等各种转速、压力、介质的密封装置，属于密封环技术领域。

背景技术

密封环是一种广泛应用于密封装置的关键零件，直接关系到密封的使用范围和寿命，其配置的机械密封大量用于航天、石油、化工、机械、食品、制药、汽车等各领域。起初，国内通常材料的密封环材料主要有硬质合金、氧化铝、石墨、氮化硅等，用这些材料制作的密封环使用寿命短、可靠性差，而且使用局限，不能在高参数条件下反应。而之后采用碳化硅制备密封环，由于碳化硅含量低、纯度差、过脆且游离硅含量高，不耐腐蚀，综合机械物理指标较低。

碳化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有许多优良特性，如耐磨性、高导热性和电气绝缘性、半导体性和电导性、耐热、耐腐蚀及高温力学和热学性能优良等。碳化硅陶瓷已被广泛应用于机械、电子、石油化工、冶金等工业领域以及国防工业。虽然碳化硅陶瓷具有许多性能，也在很多领域得到应用，但其室温强度低、韧性不够、成型比较困难，从而限制了它的应用。我国的机械密封用碳化硅密封环标准中的“抗弯强度”为≥400MPa，目前为止，同行基本只能接近标准。只有采用各种增强增韧手段制备碳化硅基复合材料，提高其强度及韧性，才能更好的满足其实际应用的需要。

为解决该技术问题，本发明制备了一种新型纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷密封环，在碳化硅陶瓷体系中引入了碳纤维和纳米粒子对其进行增韧。该密封环可以有效克服上述问题，并且国内外均未见类似报道。

发明内容

本发明的目的是发明一种可应用于高温、高压、强腐蚀性介质的具有良好韧性的纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷密封环。主要应用于高温、高压、高转速、强腐蚀等各种转速、压力、介质的密封装置。本发明的另一个目的是提供了这种纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷密封环的制备方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环的制备方法，其特征是以重量百分比为75％-80％的碳化硅、5％-10％的碳纤维、5％的纳米碳化钛和10％的纳米碳化硅为组成主原料，依次包括以下步骤：

1)将上述主料、糊精或酚醛树脂、聚乙烯醇溶胶和聚乙二醇加入去离子水中，球磨混合5-20小时后，配置成固相含量45％-55％的水基碳化硅浆料，所述糊精或酚醛树脂、聚乙烯醇溶胶和聚乙二醇的重量分别是主原料的0.5-2％、0.5-3％和0.5-1.5％；

2)采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，得碳化硅造粉粒；浆料流量为3-7Kg/h，热风进口温度为200-250℃；

3)对上述碳化硅造粉粒采用100Mpa干压预压和250Mpa冷等静压终压的二步方式成型，获得高密度的碳化硅素坯；

4)将上述碳化硅素坯放在真空无压烧结炉中，升温至1900-2000℃保温0.5-1小时，再降温至1800℃保温6-8小时，烧结结束，得纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环。

根据前述的制备方法，优选所述纳米碳化钛和纳米碳化硅的粒径为100nm。

根据前述的制备方法，优选碳化硅的重量百分比为75％，碳纤维的重量百分比为10％。

根据前述的制备方法，优选水基碳化硅浆料中固相重量含量为50％。

其中，糊精或酚醛树脂用作粘结剂，聚乙二醇用作分散剂。

一种纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环，使用前述制备方法制造得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)该纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环的制备方法工艺简单，更适应工业化生产；

2)该纳米碳纤维复合碳化硅陶瓷环的韧性得到了很好的改善。根据本发明制得的碳化硅陶瓷环，其体密为3.15-3.40g/cm3，硬度为24-32Gpa，抗弯强度为500-750MPa，断裂韧性为7-9MPa.m^1/2。

具体实施方式

实施例1：

以重量百分比为75％的碳化硅、10％的碳纤维、5％的纳米碳化钛和10％的纳米碳化硅组成主料，将主料、糊精、聚乙烯醇溶胶和聚乙二醇加入去离子水中，球磨混合10小时后，配置成固相含量45％的水基碳化硅浆料，所述糊精、聚乙烯醇溶胶和聚乙二醇的重量分别是主原料的2％、0.5％和1％；

采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，得碳化硅造粉粒；浆料流量为6Kg/h，热风进口温度为200℃；

对上述碳化硅造粉粒采用100Mpa干压预压和250Mpa冷等静压终压的二步方式成型，获得高密度的碳化硅素坯；