[发明专利]采用有机硅转化制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于超硬复合材料制备技术领域，具体涉及一种采用有机硅转化制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料的方法。

背景技术

目前，立方氮化硼和金刚石都是获得工业应用的重要超硬材料。由于金刚石和立方氮化硼具有不同的化学结构和性能，二者应用领域和加工对象存在不同的差异。金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。立方氮化硼热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；立方氮化硼结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，尤其是立方氮化硼在高达1100～1300℃的温度下也不与铁族元素起化学反应。与金刚石相比，立方氮化硼特别适合于加工黑色金属材料。

但是，立方氮化硼同金刚石一样，主要以复合材料形态获得应用。具体的是把立方氮化硼与金属、陶瓷或树脂等基体复合制备成复合材料。其中，陶瓷基体立方氮化硼复合材料近年来发展迅速。陶瓷基体立方氮化硼复合材料的主要品种有砂轮、油石、研磨条、磨盘和磨头等。这些立方氮化硼复合材料制品已在工具、汽车、轴承、机床、航天、军工等行业中得到了不同程度的应用。但是，陶瓷基体立方氮化硼复合材料主要用于磨具制造，原料处理和制备工序非常复杂，加工制造难度大，最终产品性能不易控制。目前，陶瓷基体立方氮化硼复合材料的陶瓷结合剂磨具发展缓慢、产品质量低、应用效果不理想。结合剂烧结后最终成为陶瓷基体，而决定陶瓷结合剂磨具性能的关键是结合剂的性能。也就是说，制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料采用的陶瓷基体结合剂是最终影响陶瓷磨具的重要因素。除所用超硬材料和主要辅料不同以外，制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料与制备陶瓷基体金刚石复合材料的工艺流程基本相同。目前，制备陶瓷磨具采用的陶瓷基体结合剂主要成份有玻璃料和粘土，如氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、硅酸盐等。把这些结合剂经过熔炼、粉碎、过筛后与立方氮化硼磨料混配混合在一起，再用粘接剂水玻璃、有机糊精等润湿混合、拌匀、压制成型、干燥、气氛炉烧结、冷却等工序加工而成。为了提高陶瓷结合剂的性能和可加工性，人们开发研究了很多方法，如王艳辉等人（发表于《超硬材料工程》杂志，2009年第2期，第12-15页）开发了低熔点高强度纳米陶瓷结合剂，具有良好的加工性。

通过有机聚合物转化制备无机化合物陶瓷材料已获得应用。中国专利（申请公布号：CN103613365A）公开了一种聚硅氧烷树脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法，该方法具有可以在分子尺度上进行材料设计、液相浸渍涂覆各种各种复杂形状基体、低温无机化，得到的陶瓷材料具有优良耐高温特性等优点。获得授权的中国专利（授权公告号：CN101215156B，CN100554210C）公开了采用聚硅氧烷合成硅氧碳陶瓷材料及制品的方法。以上所述专利提出了采用聚硅氧烷合成陶瓷材料的有效方法，但是存在不足之处，主要是所涉及原料及工艺配方适合于小型陶瓷器件，合成的陶瓷材料由于含碳量高，材料硬度低、强度低、不耐磨损、容易产生缺陷和开裂，不能满足陶瓷基体立方氮化硼复合材料应用于磨具使用的要求。

发明内容

综上所述，本发明是为了克服传统玻璃料和粘土结合剂高温熔炼法制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料，成型得到立方氮化硼磨具方法存在的多种不足，而提供了一种采用有机硅转化制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料的方法。其中，采用有机硅作为前驱体，辅以硅铝复合物溶胶溶液，通过加入立方氮化硼经高温烧结结构转化制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料。液体聚硅氧烷复合物和硅铝复合物溶胶溶液都是液体，流动性好，易于浸润立方氮化硼磨料及各种填料和辅料，可以在分子水平上进行结构设计，陶瓷基体各组分间通过交联、固化反应，成型后对磨料立方氮化硼的把持力强，应用时使用寿命长。由于前驱体中含有大量的有机物，高温烧结成孔性好，而这些有机物烧掉后，剩余的无机物主要成分也是以二氧化硅为主的氧化铝和氧化硅的硅氧碳化合物，以及硅铝复合物溶胶经高温烧结后形成氧化铝、氧化硅混合物正是陶瓷基体立方氮化硼复合材料磨具结合剂的主要成分。此外，加入的增强短切玻璃纤维更容易均匀分布在复合材料基体中，与基体材料化学相溶性好，增强效果明显。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用有机硅转化制备陶瓷基体立方氮化硼复合材料的方法，包括如下步骤，按质量份计：

步骤1、制备聚硅氧烷复合物，把含氢的直链形聚硅氧烷25～35份，直链形乙烯基聚硅氧烷12.5～17.5份和环聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷12.5～17.5份按照质量比2:1:1混合得聚硅氧烷复合物，备用；