一種基于紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于沙漠紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的制備方法，采用如下步驟實(shí)施：步驟1，用氨水對(duì)干燥的紅柳進(jìn)行抽提處理；步驟2，對(duì)步驟1所得紅柳利用高猛酸鉀溶液進(jìn)行氧化處理；步驟3，對(duì)步驟2所得紅柳利用有機(jī)溶劑進(jìn)行浸漬，并快速蒸發(fā)有機(jī)溶劑；步驟4，對(duì)步驟3所得紅柳進(jìn)行炭化處理；步驟5，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行真空負(fù)壓浸漬有機(jī)硅樹脂溶液；步驟6，對(duì)步驟5所得浸漬有機(jī)硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)；在保存了紅柳內(nèi)部部分化學(xué)成分、多孔結(jié)構(gòu)形態(tài)的同時(shí)，增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗沖蝕性、硬度等指標(biāo)；本發(fā)明制備的仿生復(fù)合材料增強(qiáng)相具有消振、減摩耐磨的特點(diǎn)，能夠?yàn)榉律箾_蝕復(fù)合材料提供更好地選擇和更多樣化的思路。
【專利說明】一種基于紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿生抗沖蝕材料制備方法，特別涉及一種基于沙漠紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]沖蝕磨損是磨損的一種，廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，如礦山、電廠等灰漿泵過流部件和管道及閥門的磨損。這些易磨損件在工作過程中不僅要承受固體粒子的沖蝕與切削作用，而且還要承受液體介質(zhì)的腐蝕作用及高溫的作用，工作環(huán)境極其惡劣，因而使這些耐磨件的使用壽命較低。為了追求更高品質(zhì)的抗沖蝕材料，人們進(jìn)行了各種各樣的探索和研究?？箾_蝕材料制備的方法有很多:一，可以采用復(fù)合材料，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?00810031088.8”、發(fā)明名稱為“一種用于水輪機(jī)過流部件的耐沖蝕材料”的發(fā)明專利，以超高分子量聚乙烯為主要原料，加入納米二氧化硅改性制得用于水輪機(jī)過流部件的耐沖蝕復(fù)合材料；以及申請(qǐng)?zhí)枮椤?01110306220.3”、發(fā)明名稱為“一種Al2O3顆粒表面增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的鑄滲方法”的發(fā)明專利，通過把不同粒度的Al2O3顆粒很好的鑲嵌在鋼基體中制備低應(yīng)力磨料沖蝕磨損工況下使用的表面復(fù)合耐磨材料；二，采用陶瓷材料，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?01110448103.0”、發(fā)明名稱為“一種耐高溫沖蝕磨損LnMgAl11O19-ZrO2復(fù)相陶瓷材料的制備方法”的發(fā)明專利，在氧化乾穩(wěn)定的氧化錯(cuò)中添加LnMgAl11O19(Ln = La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu,Gd)片狀顆粒，通過調(diào)整LnMgAl11O19片狀顆粒的加入量，增加材料的斷裂韌性，提高耐高溫沖蝕磨損性能，經(jīng)過混料、成型和高溫?zé)Y(jié)過程制備得到?三’增強(qiáng)表面涂層，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?01210166189.2”發(fā)明名稱為“一種氧化物顆粒鑲嵌的碳化硅涂層及其制備方法”的發(fā)明專利，將氧化物顆粒彌散分布在碳化硅涂層中；四，改變表面形態(tài)及添加耐磨層，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?01310297264.3”、發(fā)明名稱為“一種齒穴防沖蝕鋼體PDC鉆頭”的發(fā)明專利，將齒穴前端沿齒穴邊緣開設(shè)穴槽，穴槽內(nèi)敷焊耐磨層。
[0003] 當(dāng)今世界正面臨越來越嚴(yán)峻的環(huán)境問題，材料研究和生產(chǎn)需要消耗礦產(chǎn)、能源，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。自然界在長(zhǎng)期進(jìn)化演變過程中，形成了各種完美獨(dú)特的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組態(tài)及優(yōu)異性能。受自然界的啟發(fā)，材料研究者試圖揭示生物系統(tǒng)中的成分組成、結(jié)構(gòu)特征與形成機(jī)制，從而進(jìn)一步應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)與制備。為了達(dá)到不同應(yīng)用性能的要求，研究者對(duì)天然材料進(jìn)行了不同的工藝處理，例如，組織密實(shí)化及多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。這一研究領(lǐng)域的發(fā)展體現(xiàn)了人類向大自然學(xué)習(xí)層次的不斷深入，即借鑒自然界經(jīng)億萬(wàn)年優(yōu)化的生物自身多層次、多維的本征結(jié)構(gòu)和形貌作為模板，借助人工輔助處理，通過生物結(jié)構(gòu)和形態(tài)的遺傳，化學(xué)組分的變異，制備既保持自然界生物精細(xì)形貌和結(jié)構(gòu)，又有人為賦予特性和功能的新型材料?，F(xiàn)有以竹子、木材和稻草等制備優(yōu)異功能陶瓷材料的方法，只制備了 SiC、Si/SiC/C、SiOC/C、A1203、TiO2, ZrO2, SnO2 等單一陶瓷材料。
[0004]紅柳作為天然的有機(jī)高分子體，其主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及可提取樹脂、揮發(fā)性油類等，重要的是其生活在干旱的鹽堿地，內(nèi)部含有大量的草酸鈣、碳酸鈣等成分。因此，本發(fā)明通過仿沙漠紅柳制備的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相包括細(xì)小均勻分布的CaO顆粒和SiC/C陶瓷材料，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料吸振性抗沖蝕、耐磨性抗沖蝕和增加結(jié)構(gòu)抗沖蝕，同時(shí)減小環(huán)境負(fù)擔(dān)，具有環(huán)境協(xié)調(diào)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是運(yùn)用沙漠紅柳長(zhǎng)期在風(fēng)沙沖蝕環(huán)境中進(jìn)化、優(yōu)化的特殊化學(xué)成分以及多層次、多維的本征結(jié)構(gòu)和形貌作為模板，制備仿生抗沖蝕復(fù)合材料的增強(qiáng)相材料。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案按照如下步驟實(shí)施:
[0007]步驟I，用氨水對(duì)干燥的紅柳進(jìn)行抽提處理:
[0008]選取在干旱的鹽堿地生長(zhǎng)的具有多孔結(jié)構(gòu)的紅柳，在干燥箱中110°C的條件下干燥24h，然后用濃度為3~5%的氨水進(jìn)行浸泡6~10h，撈出后用去離子水洗凈，并于干燥箱中80~90°C的條件下再次干燥24h。
[0009]步驟2，對(duì)步驟I所得紅柳利用高猛酸鉀溶液進(jìn)行氧化處理:
[0010]用濃度為0.5~1.0%的高錳酸鉀溶液浸泡步驟I所得的紅柳I~6h，用去離子水清洗，并于干燥箱中80~90°C的條件下干燥24h。
[0011]步驟3，對(duì)步驟2所得紅柳利用有機(jī)溶劑進(jìn)行浸潰，并快速蒸發(fā)有機(jī)溶劑:
[0012]利用濃度為95%的乙醇有對(duì)步驟2所得紅柳浸潰24~48h，并于干燥箱中80~90°C的條件下干燥Ih快速蒸發(fā)乙醇。重復(fù)此步驟I~5次。
[0013]步驟4，對(duì)步驟3所得紅柳進(jìn)行炭化處理:
[0014]在220-240°C下，對(duì)步驟3所得紅柳保溫2_4h，進(jìn)行炭化處理，并重復(fù)步驟3，I~5次。
[0015]步驟5，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行真空負(fù)壓浸潰有機(jī)硅樹脂溶液:
[0016]在真空度為500~lOOOPa、溫度為30~60°C下，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行浸潰有機(jī)硅樹脂溶液，其在20°C時(shí)黏度為6~25mPa.s,固體含量為27.5~32.5%，保壓時(shí)間為3h，然后在干燥箱中80~90°C的條件下干燥24h。此步驟重復(fù)I~5次。
[0017]步驟6，對(duì)步驟5所得浸潰有機(jī)硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié):
[0018]在真空度為150~800Pa、溫度為1400~1600°C下，對(duì)步驟5所得的浸潰硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間為5~10h。
[0019]這樣，基于紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相即細(xì)小均勻分布的CaO顆粒和SiC/C陶瓷材料就被制備出來。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:在保存了紅柳內(nèi)部部分化學(xué)成分、多孔結(jié)構(gòu)形態(tài)的同時(shí)，增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗沖蝕性、硬度等指標(biāo)；本發(fā)明制備的仿生復(fù)合材料增強(qiáng)相具有消振、減摩耐磨的特點(diǎn)，能夠?yàn)榉律箾_蝕復(fù)合材料提供更好地選擇和更多樣化的思路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的具體實(shí)施流程。
[0022]圖2為紅柳的微觀組織結(jié)構(gòu)。
[0023]圖3為紅柳炭化處理后的微觀組織結(jié)構(gòu)。
[0024]圖4為燒結(jié)后的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的微觀結(jié)構(gòu)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，
[0026]步驟1:選取生長(zhǎng)在鹽堿地的含有大量草酸鈣、碳酸鈣等成分、具有多孔結(jié)構(gòu)的紅柳進(jìn)行預(yù)處理，具體方法為:將紅柳切為20 X 10 X 3mm3塊體，先在5%的氨水中100°C煮8小時(shí)，以進(jìn)行抽提預(yù)處理，隨后用去離子水洗凈，并于80°C烘箱內(nèi)干燥24小時(shí)。
[0027]步驟2:用濃度為0.5%的高錳酸鉀溶液浸泡步驟I所得的紅柳lh，用去離子水清洗，并于干燥箱中80°C的條件下干燥24h。
[0028]步驟3:利用酒精對(duì)步驟2所得紅柳浸潰24h，并于干燥箱中在80°C的條件下干燥Ih快速蒸發(fā)酒精。重復(fù)此步驟5次。
[0029]步驟4:將真空爐升溫到200°C，然后將溫度按每小時(shí)提高10°C的速度在240°C下，對(duì)步驟3所得紅柳保溫4h，進(jìn)行炭化處理。并重復(fù)步驟3，共5次
[0030]步驟5:在真空度為800Pa、溫度為50°C下，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行浸潰有機(jī)硅樹脂溶液，其在20°C時(shí)黏度為IOmPa.S，固體含量30%，保壓時(shí)間為3h，然后在干燥箱中80°C的條件下干燥24h。重復(fù)此步驟5次。
[0031]步驟6:在真空度為800Pa、溫度為1500°C下，對(duì)步驟5所得的浸潰硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間為5h。
[0032]最后，基于紅柳仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相材料被燒結(jié)出來，其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于沙漠紅柳的仿生抗沖蝕復(fù)合材料增強(qiáng)相的制備方法，其特征在于:采用如下步驟實(shí)施: 步驟I，用氨水對(duì)干燥的紅柳進(jìn)行抽提處理: 選取在干旱的鹽堿地生長(zhǎng)的具有多孔結(jié)構(gòu)的紅柳，在干燥箱中110°C的條件下干燥24h,然后用濃度為3~5%的氨水進(jìn)行浸泡6~10h，撈出后用去離子水洗凈，并于干燥箱中80~90°C的條件下再次干燥24h ； 步驟2，對(duì)步驟I所得紅柳利用高猛酸鉀溶液進(jìn)行氧化處理: 用濃度為0.5~1.0%的高錳酸鉀溶液浸泡步驟I所得的紅柳I~6h，用去離子水清洗，并于干燥箱中80~90°C的條件下干燥24h ； 步驟3，對(duì)步驟2所得紅柳利用有機(jī)溶劑進(jìn)行浸潰，并快速蒸發(fā)有機(jī)溶劑: 利用濃度為95%的乙醇有對(duì)步驟2所得紅柳浸潰24~48h，并于干燥箱中80~90°C的條件下干燥Ih快速蒸發(fā)乙醇。重復(fù)此步驟I~5次； 步驟4，對(duì)步驟3所得紅柳進(jìn)行炭化處理: 在220-240°C下，對(duì)步驟3所得紅柳保溫2-4h，進(jìn)行炭化處理，并重復(fù)步驟3，I~5次； 步驟5，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行真空負(fù)壓浸潰有機(jī)硅樹脂溶液: 在真空度為500~lOOOPa、溫度為30~60°C下，對(duì)步驟4所得炭化物進(jìn)行浸潰有機(jī)硅樹脂溶液，其在20°C時(shí)黏度為6~25mPa *s，固體含量為27.5~32.5%，保壓時(shí)間為3h，然后在干燥箱中80~90°C的條件下干燥24h。此步驟重復(fù)I~5次； 步驟6，對(duì)步驟5所得浸潰有機(jī)硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié): 在真空度為150~800Pa、溫度為1400~1600°C下，對(duì)步驟5所得的浸潰硅樹脂的炭化物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間為5~10h。
【文檔編號(hào)】C04B35/52GK103739287SQ201310751260
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月29日
【發(fā)明者】韓志武, 尹維, 張俊秋, 陳道兵, 封海龍, 牛士超, 劉慶萍, 任露泉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)