[发明专利]一种氧化硅-石墨烯复合陶瓷型芯及其制备方法

说明书

一种氧化硅‑石墨烯复合陶瓷型芯及其制备方法，用于解决现有技术中硅基陶瓷型芯流动性差、成型难、素胚强度低、高温性能差的问题。本发明提供了一种流动性好、成型率高、素胚强度及高温强度高的陶瓷型芯材料，将具有优异力学性能及热性能的石墨烯材料引入陶瓷型芯材料体系。石墨烯材料提高了陶瓷型芯浆料的流动性、陶瓷型芯成型率、素胚强度及陶瓷型芯的高温强度。此外，本发明的陶瓷型芯压制合格率、烧结合格率均较高，陶瓷型芯抗冲击能力强，具有优异的高温抗变形能力和高温强度。

技术领域

本发明属于精密铸造领域，具体涉及一种氧化硅-石墨烯复合陶瓷型芯及其制备方法。

背景技术

航空发动机是工业王冠上的明珠，空心叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被称为航空发动机的第一关键件。高性能航空发动机空心叶片制备需要经过几十道工序，陶瓷型芯是制备空心叶片的第一道工序，其作用是形成空心叶片的内腔，此工序直接影响叶片的壁厚和内腔尺寸精度，决定了叶片的合格率和铸造成本。新一代航空飞机研制需要使用更大推重比、冷却性能更佳的航空发动机，因而对空心叶片内腔结构、尺寸精度均提出了更高的要求。新一代航空发动机空心叶片存在以下特征：1.叶片内腔结构更为复杂，内腔不同部位尺寸跨度大，存在诸多超薄结构设计，最薄部位厚度仅为0.1mm。2.叶片的浇注条件更为苛刻，通常需要在≥1550℃的浇注温度下作用2h才能完成成型。空心叶片内腔结构复杂要求陶瓷型芯材料需要具有更好的成型性能及溶蚀性能；浇注条件更为严苛需要陶瓷型芯具有更高的高温强度。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状二维纳米材料。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130GPa。此外，石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。

发明内容

本发明的目的要解决现有技术中氧化硅基陶瓷型芯成型难、高温强度低及不易脱芯的问题。本发明将具有优异力学和热学性能的石墨烯材料引入易与碱反应的高硅陶瓷型芯体系，制备出了一种成型率高、高温强度好且易于脱芯的陶瓷型芯材料。

一种氧化硅-石墨烯复合陶瓷型芯材料由质量百分比94％～99.4％的石英玻璃粉、0.5％～3％的方石英粉、0.1％～3％的石墨烯粉以及占粉体总质量15％～24％的增塑剂组合而成。

本发明优选的技术方案为：石墨烯为改性石墨烯及氧化石墨烯。

本发明优选的技术方案为：石英玻璃粉由200目、325目和500目的石英玻璃粉组成。

本发明优选的技术方案为：石英玻璃粉、方石英粉与石墨烯粉通过三维混料机进行混合。

一种氧化硅-石墨烯复合陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

1)混粉：按比例称取石英玻璃粉、方石英粉、石墨烯粉形成混合粉体，将混合粉体放入三维混料机中进行混粉，获得混合均匀、成分均一的陶瓷粉体；

2)配料：按比例称取增塑剂，将其加入到真空搅拌机中加热至融化。分步加入步骤1)制得的陶瓷粉体，搅拌均匀，待陶瓷粉体全部加入后，搅拌24h并抽真空2h后停止搅拌，获得陶瓷型芯浆料；

3)成型：将陶瓷型芯浆料放入到陶瓷型芯压注机中，待料温与压注工艺温度一致时，将陶瓷型芯浆料压注到所需模具中，制成湿态陶瓷型芯；