[发明专利]耐磨擦复合材料及其制造方法

说明书

本发明涉及耐磨的复合材料及其制造方法。

为了解决在腐蚀性介质中由于磨损、冲蚀、气蚀和磨耗造成的问题，对许多技术领域进行了研究。上述这些问题对水轮机的轮叶特别重要。

技术人员通常已经在寻找结合有以下性能的材料：

-增强的硬度，使得材料能耐受冲蚀和磨擦的作用；

-良好的韧性，使得材料能耐冲击；

-一种能耐腐蚀的材料装置结构。

目前所使用的材料，包括具有高机械性能的钢材以及陶瓷，并不具备所有的上述能性，因为这些性能似乎在某些程度上是相互排斥的。

例如，一种具备必要耐抗性的材料通常韧性不很好。如果这种材料是高度耐腐蚀的，那么它常常不具备充分的机械性能。当今这类材料的主要问题在于它们的脆性。

本发明的目的在于提供一类复合材料，便于涂覆在目前使用的基底材料上，并同时具备硬度、韧性并能用于通用性结构。

通过大量的实验，本发明者确定了，通过将有机聚合物基体(它属于弹性体类型，具有足够的弹性以吸收来自流体中的悬浮大颗粒的冲击)与近乎球形的并且规则粒度分布的超细硬质颗粒所形成的足够致密的网络结合在一起，就能得到最佳的结果。这些硬颗粒在这种有机聚合物基体中应分布得当，使得当一个外来颗粒(例如通过精细测量可测出其大小为几十微米)撞击到本发明的复合材料上时，嵌在弹性基体中的致密硬颗粒床层能够挡击之。

在有机基体中嵌入较大颗粒的方法已经为人们所熟知，并且已应用于堤路的建造上，以增强这类材料对于在其上行走或机动车交通引起的磨损的耐受能力。已经发现，这类材料在遇到冲蚀现象时是完全不适用的，因为会受到接触的流体中所含磨损性颗粒的作用，在这种情况下，事实上已经观察到，基体中的大颗粒由于这类流体的作用会剥离下来。    

因此本发明首先是涉及这样一类复合材料，它们是由有机弹性基体与准球形的非氧化性陶瓷颗粒的网络组成，而这类陶瓷颗粒大部分是超细尺寸的，其直径一般在0.1到10μm，并在该基体中均匀分布。

弹性有机基体可选用聚氨酯类化合物，也可选用合成弹性体材料例如丁二烯橡胶或丁基橡胶。

非氧化性超细陶瓷粉末则可选用高熔点金属例如钛、锆、铪、钽、铌、钨、钼、硼和硅或这些混合元素的碳化物、氮化物和碳氮化物。

较好的实施办法是，这类超细颗粒选用由一种准金属与一种高熔点金属形成的非氧化性陶瓷粉末，例如采用在1987年1月8日的法国专利A一870097中所描述的方法优选实例所获得的那些粉末。该方法的主要优点之一是能制得差异在4％以内的整体化学计量组成，而材料表面则缺氧。

超细颗粒的密度应大于那些可能使此涂覆用复合材料变坏的冲击颗粒的密度。

这些颗粒的密度在约16至5之间，例如WC颗粒(d=15.72)；TaC颗粒(14.48)；NbC颗粒(7.78)；TaN颗粒(14.3)。

由于经济原因并且为了达到最佳的吸收震动效果，较好是选择密度约为5的超细颗粒。

本发明复合材料的一个重要特征是在基体与超细颗粒之间不存在任何电化学耦合，因为电化学耦合可能引起电化学腐蚀，以致干扰整个冲蚀等过程。

本发明的复合材料可以涂覆在任何种类的基底材料上，例如金属合金、有机化合物、水泥、木材、玻璃和所有其它复合材料。

本发明也涉及制得这些复合材料的方法，此方法能确保这种超细硬颗粒在基体内部非常均匀的分布，同时在基体与颗粒之间完全没有电化学耦合，这样就完全避免了因引起电化学腐蚀而产生的干扰。

按照本方法，在将非氧化性超细颗粒引入基体之前，将它们浸入一有机高分子分散剂中。所选分散剂的高分子链通过其非共价键固定在颗粒的表面上，这就保证了这些超细颗粒均匀分布而不结块。因为通过这一措施，有机基体和超细颗粒间的界面张力得以降低；另外，这些相同的高分子链确保了超细颗粒间的分隔距离。

超细颗粒象这样引入分散剂中，由于分散剂分子上能吸着颗粒的位置数目较少，因此产生了空间阻碍效应。这样，颗粒在分子尺度上以相隔足够的距离而分布。

分散剂较好是选用聚羧酸化合物或聚硅烷化合物，或这两种化合物的混合物。

根据本发明较好的实施办法，分散剂则是用聚羧酸和聚硅氧烷共聚物的混合物。

基体和分散剂的有机本性确保了这两种物质的极性相配，并使它们能形成非共价键。

按最终重量计，超细陶瓷颗粒的百分含量宜为1到80％(重量)。

制造本发明复合材料的方法基本包括以下步骤：