一種塊體碳化物陶瓷制備技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種制備塊體碳化物陶瓷材料新技術(shù)，屬于材料領(lǐng)域的碳化物陶瓷材料制備技術(shù)。本發(fā)明把熱固性高分子樹脂(如：酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺、呋喃樹脂、聚硅醚等)和金屬物質(zhì)(如Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Sb、Zr、Hf、Mo、Nb、Ta、W、稀土金屬或合金等)或金屬氧化物(如V2O5、Nb2O5、Ta2O5、Cr2O3、MoO2、WO3、FeO、Fe2O3、Co2O3、NiO、CuO、Sb2O3等)或非金屬B、Si等混合，經(jīng)揮發(fā)溶劑、加壓壓結(jié)、加熱固化，用氬氣或抽真空保護(hù)，在高溫爐中通過熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生碳，在高于或近于金屬熔點(diǎn)的溫度下發(fā)生碳化反應(yīng)制取碳化物陶瓷塊體。
【專利說明】
一種塊體碳化物陶瓷制備技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域的碳化物陶瓷材料制備技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]碳化物陶瓷材料應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在磨料、刀具、鉆頭、機(jī)械、航天等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。該材料的制備大多數(shù)采用石墨或碳黑等作碳源，而使用熱固性高分子樹脂作碳源還不見報(bào)道。如專利CN103072987A將金屬鹽粉末(硝酸鐵、硝酸鉆、硝酸鎳、仲鎢酸銨或鑰酸銨)在高溫焙燒形成金屬氧化物前驅(qū)物，以液態(tài)含碳化合物(無水乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯)作為液態(tài)碳源與金屬氧化物前驅(qū)物進(jìn)行還原和碳化反應(yīng)而制備100?200nm的金屬碳化物。如專利CN101643210A利用高能機(jī)械化學(xué)法制備碳化物，其特征在于制備過程中連續(xù)通入煤氣，煤氣和不斷研磨的金屬粉體發(fā)生反應(yīng)得到超微碳化物，整個(gè)過程在室溫條件進(jìn)行。如專利CN102502635A采用高頻熱等離子體合成難熔金屬碳化物超細(xì)粉體，合成過程同時(shí)對(duì)粉體進(jìn)行表面改性。如專利CN102181678A將純Fe粉、Cr粉和石墨粉按碳化物[(Fe，Cr)7C3]原子比稱重后裝入球磨罐中球磨，然后將混合體充填到模具中，最后將盛放混合體的模具放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，制得(Fe，Cr) 7C3碳化物塊體材料。如專利CN101891192A將硅源或金屬源、碳源(葡萄糖或麥芽糖)、Mg粉和碘單質(zhì)按照摩爾比1: (0.05?2): (I?25): (1.25?12)混合，密封在高壓釜中，于100?500°C條件下反應(yīng)6?48小時(shí)，得碳化物納米粉體。如專利CN102910628A以純度不低于99%的過渡金屬氧化物粉體和碳黑為原料，在輥式球磨機(jī)上混合24h，裝入坩堝內(nèi)，在200Pa以下分兩步加熱至600?1800°C進(jìn)行碳熱還原，得到碳化物超細(xì)粉體。如專利CN1248560A以炭質(zhì)溶膠和金屬溶膠為原料，分別加入乙醇脫除其中的溶劑；然后將兩種溶膠混合，經(jīng)超臨界干燥，碳熱還原反應(yīng)，制備超細(xì)金屬碳化物。如專利CN1361083A將石油焦與金屬和非金屬粉末，按原子量比2: I?5: I進(jìn)行配料，混合后放入機(jī)械合金化的鋼罐中，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高速球磨后制成碳化物陶瓷粉體。如專利CN101348370A把碳化物陶瓷的先驅(qū)體溶液(一種以上的難熔金屬烷氧基化合物作溶質(zhì)，以二乙烯基苯、乙烯基乙炔基苯或二乙炔基苯作溶劑)升溫交聯(lián)，然后在惰性氣氛下或真空條件下進(jìn)行高溫裂解燒結(jié)得到碳化物陶瓷。
[0003]如上制備工藝還有許多，在此不再列舉。他們得到的碳化物一般是粉體，很少是塊狀或網(wǎng)狀，碳化物不能象網(wǎng)絡(luò)一樣貫穿到整體中，其對(duì)材料的增強(qiáng)作用有限。而本發(fā)明用熱固性高分子樹脂作粘結(jié)劑和金屬粉體或金屬氧化物粉體計(jì)量混合，通過揮發(fā)溶劑、壓結(jié)成型、熱固化、高溫裂解碳化反應(yīng)燒結(jié)，直接得到整塊碳化物陶瓷工件，無需以其他金屬做粘結(jié)劑，就可以達(dá)到很高強(qiáng)度。工件還可以繼續(xù)高溫壓滲其他金屬粘結(jié)劑，使強(qiáng)度進(jìn)一步提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]許多熱固性高分子樹脂如:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺、呋喃樹脂、聚硅醚等都可以做粘結(jié)劑，熱裂解后的碳同時(shí)與金屬發(fā)生碳化反應(yīng)生成碳化物；金屬物質(zhì)如T1、V、Cr、Fe、Co、N1、Cu、Mn、Sb、Zr、Hf、Mo、Nb、Ta、W、稀土金屬或合金或金屬氧化物或非金屬B、Si等在高于或近于其熔點(diǎn)的溫度與上述熱固性高分子樹脂混合后燒結(jié)均可得到相應(yīng)的碳化物陶瓷。此工藝過程簡單，應(yīng)用范圍十分廣泛，可以直接燒結(jié)得到所需陶瓷工件，這是其他專利所做不到的。

【具體實(shí)施方式】
[0005]實(shí)例一
[0006]取一定重量酚醛樹脂放入一石墨坩堝中，推入高溫爐中，通氬氣保護(hù)，以3°C /min的速率升溫至800°C，保溫I小時(shí)。冷卻至室溫后取出，稱重，計(jì)算酚醛樹脂含碳量。
[0007]按Fe: C = 3: I原子比稱取酚醛樹脂和還原鐵粉，酚醛樹脂用丙酮溶解；加入鐵粉，攪拌均勻，邊攪拌邊揮發(fā)溶劑。把干燥后混合物放入模具中，20MPa加壓成型；連同模具放入烘箱中115°C加熱固化3小時(shí)。取出樣品，放入高溫爐里的石墨坩堝中，通氬氣保護(hù)，以1.(TC /min的速率升溫至1500°C。保溫1.0小時(shí)，冷卻至室溫，得到Fe3C碳化物陶瓷樣品O
[0008]實(shí)例二
[0009]按Ti: C=I: I原子比稱取酚醛樹脂和325目氫化鈦粉，酚醛樹脂用丙酮溶解；加入鈦粉，攪拌均勻，邊攪拌邊揮發(fā)溶劑。把干燥后混合物放入模具中，15MPa加壓成型；連同模具放入烘箱中115°C加熱固化4小時(shí)。取出樣品，放入高溫爐里的石墨坩堝中，通氬氣保護(hù)，以1.50C /min的速率升溫至1700°C。保溫1.5小時(shí)，冷卻至室溫，得到TiC碳化物陶瓷成品。
[0010]實(shí)例三
[0011]氨酚醛樹脂碳含量測定同實(shí)例一。
[0012]按Cr: C = 3: 2原子比稱取氨酚醛樹脂和300目金屬鉻粉，氨酚醛樹脂用無水乙醇溶解；加入鉻粉，攪拌均勻，邊攪拌邊揮發(fā)溶劑。把干燥后混合物放入模具中，20MPa加壓成型；連同模具放入烘箱中120°C加熱固化3小時(shí)。取出樣品，放入高溫爐里的石墨坩堝中，通氬氣保護(hù)，以2.(TC/min的速率升溫至1800°C。保溫2.5小時(shí)。冷卻至室溫，得到Cr3C2碳化物陶瓷成品。
[0013]實(shí)例四
[0014]聚酰亞胺碳含量測定同實(shí)例一。
[0015]按W: C=1: 4原子比稱取聚酰亞胺膠和300目WO3粉，聚酰亞胺膠用二甲基甲酰胺稀釋；加入WO3，攪拌均勻，邊攪拌邊加熱至150°C揮發(fā)溶劑。把干燥后混合物放入模具中，30MPa加壓成型；連同模具放入烘箱中220°C加熱固化5小時(shí)。取出樣品，放入高溫爐里的石墨坩堝中，抽真空保護(hù)，以1.0°C /min的速率升溫至1600°C。保溫2.0小時(shí)，冷卻至室溫，得到WC碳化物陶瓷產(chǎn)品。
[0016]實(shí)例五
[0017]環(huán)氧樹脂/固化劑碳含量測定同實(shí)例一。
[0018]按Ta: C = 2: 7原子比稱取環(huán)氧樹脂膠和325目Ta2O5粉，環(huán)氧樹脂膠加入固化齊IJ，再加Ta2O5粉，攪拌均勻，邊攪拌邊加熱預(yù)固化。把固化預(yù)聚體混合物放入模具中，5MPa加壓成型；連同模具放入烘箱中150°C加熱再固化4小時(shí)。取出樣品，放入高溫爐里的石墨坩堝中，抽真空保護(hù)，以2.(TC /min的速率升溫至1800°C。保溫1.5小時(shí)。冷卻至室溫，得到TaC碳化物陶瓷樣件。
[0019]以上實(shí)例還可有許多，只是工藝條件略有不同，在此不一一舉例，該發(fā)明可以得到各種形狀、各種性能的碳化物陶瓷材料或半成品或成品。凡用金屬、金屬化合物或合金或非金屬等粉體和熱固性樹脂或預(yù)聚體混合經(jīng)壓結(jié)、熱固化、高溫裂解、碳化反應(yīng)成型制備碳化物的方法均應(yīng)視為該專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種碳化物陶瓷材料的制備技術(shù)，其特征如下: 把金屬、金屬化合物或合金或非金屬等粉體和熱固性高分子樹脂或預(yù)聚體混合，經(jīng)揮發(fā)溶劑、加壓壓結(jié)、加熱固化，最后在高溫爐中通氬氣或抽真空保護(hù)熱裂解碳化反應(yīng)成型，制得陶瓷碳化物材料、半成品或成品。
2.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:制備碳化物的碳源為熱固性高分子樹脂或預(yù)聚體。
3.如權(quán)利要求2所述的熱固性高分子樹脂或預(yù)聚體為:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚丁二烯不飽和樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺、呋喃樹脂、硅醚樹脂等或它們的預(yù)聚體有機(jī)溶液。
4.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:制備碳化物陶瓷材料的另一元素可是金屬或合金或金屬氧化物或S1、B等。
5.如權(quán)利要求4所述金屬或合金或金屬氧化物為:Sc、Y、T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Μη、Fe、Co、N1、Cu、Sb、稀土或它們的合金和 V205、Nb205、Ta205、Cr203、Mo02、W03、FeO、Fe203、Co203、Ni0、Cu0、Sb203 等。
6.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:制備碳化物陶瓷材料的工藝采用原料混合、溶劑干燥、壓結(jié)成型、加熱固化、高溫裂解、碳化反應(yīng)等。
7.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:壓結(jié)成型工藝采用壓力為:2?50MPa。
8.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:高溫裂解碳化反應(yīng)工藝采用的溫度為:500?.1800。。。
9.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:高溫裂解碳化反應(yīng)工藝采用抽真空或通氬氣保護(hù)。
10.如權(quán)利要求1所述，其特征在于:加熱固化、高溫裂解、碳化反應(yīng)等的升溫速率為.1.0 ?5.0°C /min。
【文檔編號(hào)】C04B35/56GK104341155SQ201310335114
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】傅圣利 申請(qǐng)人:傅圣利