[发明专利]一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮及其凝胶注模成型制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含：将碳化硅粉体、烧结助剂等混合后，球磨得到碳化硅陶瓷浆料；将短切碳纤维、偶联剂等搅拌均匀，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，球磨，喷雾干燥得到预处理陶瓷‑纤维复合粉体；将预处理陶瓷‑纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水搅拌，点燃聚合反应，取出聚合体；将聚合体洗涤，除去均聚物，干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；将接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体等搅拌，抽真空脱气得到第二混合物料，加入热分解自由基引发剂混合均匀，固化，脱膜，干燥，真空脱胶，烧结，冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮及其凝胶注模成型制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷材料因硬度高、耐腐蚀、耐磨损、耐高温、高热导等一系列优异性能，在航空、航天、军事、化工、石油及核能领域有重要应用。特别是化工、石油及核电站经常需要将高温、强酸碱性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高温、耐强酸碱腐蚀、耐磨损的陶瓷泵。无压烧结碳化硅是制备陶瓷泵过流部件的理想候选材料，但由于SiC陶瓷分子结构的键合特点，导致其缺乏塑性变形能力，表现出较大的脆性，从而严重影响了其作为结构材料的应用。

碳纤维具有低密度、高比强度和比模量、耐高温、耐化学腐蚀、导热和导电性能优良、热膨胀系数小等特点，是一种重要的复合材料增强体。碳纤维以及碳纤维复合材料在核电、航空航天、国防军工、机械制造等领域都有广泛的应用。用碳纤维增强增韧SiC陶瓷，可使材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既增强了材料的强度和韧性，又保持了SiC陶瓷良好的高温强度、高温稳定性和高温抗氧化能力。

陶瓷材料另外的一个问题是烧结后机加工难度大，如何制备出满足性能要求、形状复杂精确的大尺寸陶瓷部件，一直是工业界的一个难题。凝胶注模成型是近年来倍受关注的一种近净成型技术，该技术是由美国橡树岭国家实验室于20世纪90年代初发明的一种胶态快速成型技术，将传统的粉体成型工艺与聚合物化学结合起来，把高分子单体的聚合反应特点应用到粉体成型领域中。其技术原理是利用有机单体在聚合成三维网状的聚合物的同时，将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹，从而使之原位固化，形成具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。该工艺具有所需设备简单、成型坯体组成均匀、缺陷少、不易变形、近净尺寸成型复杂形状结构件及实用性强等突出优点，受到国内外学术界和工业界的广泛关注。目前，凝胶注模成型技术已广泛地应用于A1₂O₃、ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄等氧化物或非氧化物的精密陶瓷结构件的生产体系中。我们小组采用凝胶注模成型技术制备出纯SiC陶瓷叶轮(CN102875150B)，显示出了优异的耐高温、耐腐蚀、抗磨损性能。但由于碳化硅脆性大，在实际使用中极易发生无预兆性突然脆断，严重影响了生产的稳定性和连续性，急迫需要解决碳化硅陶瓷的脆性问题。为此，我们向碳化硅基体中引入短切碳纤维，通过纤维对裂纹的偏转和缝合及纤维拔出提高陶瓷的断裂韧性(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.)。研究中发现超细陶瓷粉体和短切碳纤维由于颗粒细小，具有很大的表面能，粒子间的自聚集作用很强，导致SiC陶瓷粉体和短切碳纤维很难均匀分散在凝胶体系中。纤维添加量必须高于5％时，则难以烧结致密化，强度和韧性降低。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮及其凝胶注模成型制备方法，对粉体进行表面处理，通过接枝聚合向碳化硅陶瓷粉体和碳纤维表面引入高分子聚合物，进而提高了粉体在凝胶体系中的分散性，提高固含量和纤维加入量，满足了纤维增韧SiC陶瓷叶轮对均匀性的苛刻要求。