[发明专利]一种块体碳化物陶瓷制备技术

说明书

技术领域

本发明属于材料领域的碳化物陶瓷材料制备技术。

背景技术

碳化物陶瓷材料应用相当广泛，在磨料、刀具、钻头、机械、航天等领域都发挥着重要作用。该材料的制备大多数采用石墨或碳黑等作碳源，而使用热固性高分子树脂作碳源还不见报道。如专利CN103072987A将金属盐粉末(硝酸铁、硝酸钻、硝酸镍、仲钨酸铵或钼酸铵)在高温焙烧形成金属氧化物前驱物，以液态含碳化合物(无水乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯)作为液态碳源与金属氧化物前驱物进行还原和碳化反应而制备100～200nm的金属碳化物。如专利CN101643210A利用高能机械化学法制备碳化物，其特征在于制备过程中连续通入煤气，煤气和不断研磨的金属粉体发生反应得到超微碳化物，整个过程在室温条件进行。如专利CN102502635A采用高频热等离子体合成难熔金属碳化物超细粉体，合成过程同时对粉体进行表面改性。如专利CN102181678A将纯Fe粉、Cr粉和石墨粉按碳化物[(Fe，Cr)₇C₃]原子比称重后装入球磨罐中球磨，然后将混合体充填到模具中，最后将盛放混合体的模具放入烧结炉中进行烧结，制得(Fe，Cr)₇C₃碳化物块体材料。如专利CN101891192A将硅源或金属源、碳源(葡萄糖或麦芽糖)、Mg粉和碘单质按照摩尔比1∶(0.05～2)∶(1～25)∶(1.25～12)混合，密封在高压釜中，于100～500℃条件下反应6～48小时，得碳化物纳米粉体。如专利CN102910628A以纯度不低于99％的过渡金属氧化物粉体和碳黑为原料，在辊式球磨机上混合24h，装入坩埚内，在200Pa以下分两步加热至600～1800℃进行碳热还原，得到碳化物超细粉体。如专利CN1248560A以炭质溶胶和金属溶胶为原料，分别加入乙醇脱除其中的溶剂；然后将两种溶胶混合，经超临界干燥，碳热还原反应，制备超细金属碳化物。如专利CN1361083A将石油焦与金属和非金属粉末，按原子量比2∶1～5∶1进行配料，混合后放入机械合金化的钢罐中，在惰性气氛保护下进行高速球磨后制成碳化物陶瓷粉体。如专利CN101348370A把碳化物陶瓷的先驱体溶液(一种以上的难熔金属烷氧基化合物作溶质，以二乙烯基苯、乙烯基乙炔基苯或二乙炔基苯作溶剂)升温交联，然后在惰性气氛下或真空条件下进行高温裂解烧结得到碳化物陶瓷。

如上制备工艺还有许多，在此不再列举。他们得到的碳化物一般是粉体，很少是块状或网状，碳化物不能象网络一样贯穿到整体中，其对材料的增强作用有限。而本发明用热固性高分子树脂作粘结剂和金属粉体或金属氧化物粉体计量混合，通过挥发溶剂、压结成型、热固化、高温裂解碳化反应烧结，直接得到整块碳化物陶瓷工件，无需以其他金属做粘结剂，就可以达到很高强度。工件还可以继续高温压渗其他金属粘结剂，使强度进一步提高。

发明内容

许多热固性高分子树脂如：酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、呋喃树脂、聚硅醚等都可以做粘结剂，热裂解后的碳同时与金属发生碳化反应生成碳化物；金属物质如Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Sb、Zr、Hf、Mo、Nb、Ta、W、稀土金属或合金或金属氧化物或非金属B、Si等在高于或近于其熔点的温度与上述热固性高分子树脂混合后烧结均可得到相应的碳化物陶瓷。此工艺过程简单，应用范围十分广泛，可以直接烧结得到所需陶瓷工件，这是其他专利所做不到的。

具体实施方式

实例一

取一定重量酚醛树脂放入一石墨坩埚中，推入高温炉中，通氩气保护，以3℃/min的速率升温至800℃，保温1小时。冷却至室温后取出，称重，计算酚醛树脂含碳量。

按Fe∶C＝3∶1原子比称取酚醛树脂和还原铁粉，酚醛树脂用丙酮溶解；加入铁粉，搅拌均匀，边搅拌边挥发溶剂。把干燥后混合物放入模具中，20MPa加压成型；连同模具放入烘箱中115℃加热固化3小时。取出样品，放入高温炉里的石墨坩埚中，通氩气保护，以1.0℃/min的速率升温至1500℃。保温1.0小时，冷却至室温，得到Fe₃C碳化物陶瓷样品。

实例二