一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超硬復合材料制備技術領域，具體涉及一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法。
【背景技術】
[0002]金剛石是迄今為止已知的世界上最硬的材料，是一種獲得工業(yè)應用的重要超硬材料。金剛石廣泛應用于磨料、磨具和刀具材料。但是，金剛石主要以復合材料形態(tài)獲得應用，具體的是把金剛石與金屬、陶瓷或樹脂等基體復合制備成復合材料。其中，陶瓷基體金剛石復合材料近年來發(fā)展迅速，以陶瓷結合劑金剛石砂輪為例，陶瓷結合劑金剛石砂輪是目前發(fā)展比較迅速的一種超硬材料磨具，與樹脂結合劑磨具相比其形狀保持性好、加工尺寸精度高；與金屬結合劑磨具相比，其具有砂輪易于修整、磨削時不易堵塞及不易燒傷工件等優(yōu)點。
[0003]陶瓷基體金剛石復合材料的主要品種有砂輪、油石、研磨條、磨盤和磨頭等。這些金剛石復合材料制品已在工具、汽車、軸承、機床、航天、軍工等行業(yè)中得到了不同程度的應用。但是，陶瓷結合劑磨具發(fā)展緩慢、產品質量低、應用效果不理想，結合劑燒結后最終成為陶瓷基體，而決定陶瓷磨具性能的關鍵是結合劑的性能。也就是說，制備陶瓷基體金剛石復合材料磨具采用的陶瓷基體結合劑是影響最終陶瓷磨具的重要因素。目前，制備陶瓷磨具采用的陶瓷基體結合劑主要成份有玻璃料和粘土，如氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉、硅酸鹽等。把這些結合劑經過熔煉、粉碎、過篩后與金剛石磨料混配混合在一起，再用粘接劑水玻璃、有機糊精等潤濕混合、拌勻、壓制成型、干燥、氣氛爐燒結、冷卻等工序加工而成?？梢钥吹剑沾苫w金剛石復合材料用于磨具制造，原料處理和制備工序非常復雜，加工制造難度大，最終產品性能不易控制。為了提高陶瓷結合劑的性能和可加工性，人們開發(fā)研宄了很多方法，如王艷輝等人(發(fā)表于《超硬材料工程》雜志，2009年第2期，第12-15頁)開發(fā)了低熔點高強度納米陶瓷結合劑，具有良好的加工性。
[0004]通過有機聚合物轉化制備無機化合物陶瓷材料已獲得應用。中國專利(申請公布號:CN103613365A)公開了一種聚硅氧烷樹脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法，該方法具有可以在分子尺度上進行材料設計、液相浸漬涂覆各種各種復雜形狀基體、低溫無機化，得到的陶瓷材料具有優(yōu)良耐高溫特性等優(yōu)點。獲得授權的中國專利(授權公告號:CN101215156B，CN100554210C)公開了采用聚硅氧烷合成硅氧碳陶瓷材料及制品的方法。以上所述專利提出了采用聚硅氧烷合成陶瓷材料的有效方法，但是存在不足之處，主要是所涉及原料及工藝配方適合于小型陶瓷器件，合成的陶瓷材料由于含碳量高，材料硬度低、強度低、不耐磨損、容易產生缺陷和開裂，不能滿足陶瓷基體金剛石復合材料應用于磨具使用的要求。

【發(fā)明內容】

[0005]綜上所述，本發(fā)明為了克服目前玻璃料熔煉法生產陶瓷基體金剛石磨具所存在的能耗高、工序繁雜、產品性能不穩(wěn)定等缺陷。而提供的一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷25?35份，直鏈形乙烯基聚硅氧烷12.5?17.5份和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷12.5?17.5份按照質量比2:1:1混合得聚硅氧烷復合物，備用；
步驟2、制備硅鋁復合物溶膠溶液，把鋁源化合物3.5?7.5份，含硅化合物3?5份和蒸餾水7?13份按照3摩爾'2摩爾:120摩爾混合后，再加入催化劑0.05?0.2份，調整pH值為2?3，在60?80°C的溫度條件下反應反應2小時后，聚合得到硅鋁復合物溶膠溶液，備用；
步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復合物和步驟2制備的硅鋁復合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.5?I份、金剛石10?20份、短切玻璃纖維I?3份和碳化硅I?3份，一起混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預成型件；
步驟4、把步驟3制得的預成型件，在氬氣氣氛下進行加熱燒結，燒結溫度900?1200°C，燒結保溫時間50?90分鐘；燒結后，采用自然冷卻，經整形加工處理得到陶瓷基體金剛石復合材料。
[0007]進一步，所述的鋁源化合物選自鋁粉、異丙醇鋁、硝酸鋁與氯化鋁中的一種或一種以上的混合物。
[0008]進一步，所述的含硅化合物為正硅酸乙酯。
[0009]進一步，所述的催化劑為鹽酸和醋酸中的一種。
[0010]進一步，所述的聚硅氧烷固化交聯(lián)劑是甲基乙烯基硅氧烷配位鉑催化劑。
[0011]進一步，所述的金剛石是經表面包覆抗氧化硅鋁氧化物耐熱涂層的金剛石，金剛石的粒度為2?100微米，優(yōu)選20?60微米。
[0012]進一步，所述的加熱燒結，可以是高溫氣氛電加熱燒結或微波燒結中的一種。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明采用有機硅作為前驅體，輔以硅鋁復合物溶膠溶液，通過加入金剛石經高溫燒結結構轉化制備陶瓷基體金剛石復合材料。液體聚硅氧烷復合物和硅鋁復合物溶膠溶液都是液體，流動性好，易于浸潤金剛石磨料及各種填料和輔料，可以在分子水平上進行結構設計，陶瓷基體各組分間通過交聯(lián)、固化反應，成型后對磨料金剛石的把持力強，適合于重磨削應用。由于前驅體中含有大量的有機物，高溫燒結成孔性好，而這些有機物燒掉后，剩余的無機物主要成分也是以二氧化硅為主的氧化鋁和氧化硅的硅氧碳化合物，以及硅鋁復合物溶膠經高溫燒結后形成氧化鋁、氧化硅混合物正是陶瓷基體金剛石復合材料磨具結合劑的主要成分。
[0014]2、本發(fā)明與常規(guī)采用玻璃料和粘土為主要結合劑制備陶瓷基體金剛石磨具相比，本發(fā)明采用有機硅作為前驅體，輔以硅鋁復合物溶膠溶液，通過加入金剛石經高溫燒結結構轉化制備陶瓷基體金剛石復合材料，前驅體液體滲透和流動性好，能明顯提高原料混合的均勻性，便于實現(xiàn)異形件注模預成型，生產程序簡單，降低了生產成本，復合材料中基體對金剛石磨料的把持力高，是一種高效的制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法，該復合材料可以應用于金剛石工具磨具材料，或其他耐高溫功能材料，帶來顯著的經濟效益和社會效益。
[0015]3、本發(fā)明加入的增強短切玻璃纖維更容易均勻分布在復合材料基體中，與基體材料化學相容性好，增強效果明顯。
【具體實施方式】
[0016]以下結合具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。下述實施例中所用的原材料，如無特別說明，均為市售。
[0017]實施例1
一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷10克，直鏈形乙烯基聚硅氧烷5克和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷5克混合得聚硅氧烷復合物20克。
[0018]步驟2、制備硅鋁復合物溶膠溶液，把鋁源化合物3摩爾:含硅化合物2摩爾:蒸餾水120摩爾混合，加入催化劑3克調整pH值為2.8，在65±2 °0的溫度條件下反應反應2小時后，聚合得到8克的硅鋁復合物溶膠溶液。
[0019]步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復合物20克和步驟2制備的8克硅鋁復合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.33克、金剛石5克、短切玻璃纖維I克和碳化硅I克，混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預成型件。
[0020]步驟4、把步驟3制得的預成型件，在氬氣氣氛下進行微波加熱燒結，微波功率20KW，微波頻率915±50MHZ，遠紅外測溫，微波燒結溫度950±20°C，燒結保溫時間70分鐘。微波燒結后，采用自然冷卻，經整形加工處理得到陶瓷基體金剛石復合材料。
[0021]經測試，陶瓷基體金剛石復合材料試樣顯微硬度為HV3100，三點彎曲法測試抗彎強度為 675±46 MPa。
[0022]實施例2
一種采用有機硅制備陶瓷基體金剛石復合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷10克，直鏈形乙烯基聚硅氧烷5克和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷5克混合得聚硅氧烷復合物20克。
[0023]步驟2、制備硅鋁復合物溶膠溶液，把鋁源化合物3摩爾:含硅化合物2摩爾:蒸餾水120摩爾混合，加入催化劑3克調整pH值為2.8，在65±2 °0的溫度條件下反應反應2小時后，聚合得到6克的硅鋁復合物溶膠溶液。
[0024]步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復合物20克和步驟2制備的6克硅鋁復合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.30克、金剛石7克、短切玻璃纖維I克和碳化硅2克，混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預成型件。
[0025]步驟4、把步驟3制得的預成型件，在氬氣氣氛下進行微波加熱燒結，微波功率20KW;微波