一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，將有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑與金屬粉末按一定配比混合均勻；用粉末注射成形制備坯體；在真空或惰性氣氛下燒結(jié)，原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于創(chuàng)新性地使用了有機(jī)硅聚合物作為金屬粉末的粘結(jié)劑和原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體；在注射成形過(guò)程不需要添加陶瓷增強(qiáng)相和任何其他粘結(jié)劑，同時(shí)避免了脫脂過(guò)程、雜質(zhì)的引入和節(jié)約了原材料；由有機(jī)硅聚合物原位生成的納米級(jí)陶瓷在金屬粉末中分布均勻，避免了納米級(jí)陶瓷粉體團(tuán)聚的問(wèn)題，對(duì)金屬基體材料有很好的增強(qiáng)效果，所得的復(fù)合材料具有性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、低成本、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料是目前備受關(guān)注的復(fù)合材料之一。由于采用陶瓷，尤其是粒徑為納米級(jí)的陶瓷作為增強(qiáng)相與金屬發(fā)生共沉積，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)、摩擦磨損和物理性能等優(yōu)點(diǎn)，且可被廣泛用于航空航天、汽車、電子封裝、先進(jìn)導(dǎo)彈武器和核聚變能源等領(lǐng)域。
[0003]目前，陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法有很多，如攪拌鑄造法、傳統(tǒng)的粉末冶金模壓法、先驅(qū)體浸潰裂解法、注漿成形、壓濾成形等。這些方法都存在一定的不足，如傳統(tǒng)的粉末冶金模壓法，模壓形成的成形坯往往密度不均勻且部件的形狀復(fù)雜程度也受到一定的限制；先驅(qū)體浸潰裂解法還存在制備周期長(zhǎng)、尺寸精度低等缺點(diǎn)。近年，粉末注射成形法由于具有生產(chǎn)效率高，可規(guī)模化制備具有復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，在陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及其零件的制備中得到極大的關(guān)注。
[0004]先驅(qū)體原位合成法是近年受到很大關(guān)注的制備金屬基復(fù)合材料方法之一。有機(jī)硅聚合物是一類比較常見(jiàn)的先驅(qū)體，由于有機(jī)硅聚合物先驅(qū)體在室溫或加熱條件下，形成粘性液相包覆在金屬粉末表面，并使之重新分布，排列緊密，從而使金屬粉末表面光滑易流動(dòng)，同時(shí)包覆在顆粒表面的先驅(qū)體，在一定溫度下轉(zhuǎn)化成納米級(jí)陶瓷均勻分布在金屬粉末之間，克服了納米級(jí)陶瓷粉體團(tuán)聚，難以分散均勻的問(wèn)題，形成結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料，因此對(duì)提高金屬基復(fù)合材料的性能和可靠性等具有重要作用。同時(shí)，通過(guò)選擇先驅(qū)體不同組分和調(diào)節(jié)熱解或燒結(jié)條件可得到所需形狀和功能的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0005]20世紀(jì)80年代，國(guó)防科技大學(xué)的馮春祥教授等人用聚碳硅烷作粘結(jié)劑制備了具有抗高溫氧化性、耐化學(xué)腐蝕性和可用作電熱元件的碳化硅燒結(jié)體，同時(shí)也用聚碳硅烷作粘結(jié)劑低溫?zé)筛邚?qiáng)度碳化硅基復(fù)合材料。由此可見(jiàn)有機(jī)硅聚合物不僅是陶瓷材料的先驅(qū)體，同時(shí)也是一種很好的粘結(jié)劑。
[0006]粉末注射成形法與先驅(qū)體原位合成法相結(jié)合制備復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道也有不少。在專利CN101037336A中報(bào)道了一種制備碳化硅晶須增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料零件的方法，如圖2，該方法以碳化硅微粉和碳化硅晶須為原料，聚碳硅烷基作為粘結(jié)劑，采用粉末注射成形與先驅(qū)體原位合成法相結(jié)合制得SiCw/SiC復(fù)合材料零件，在這個(gè)方法中添加了增強(qiáng)相碳化硅晶須，增塑劑石臘和聚乙烯，表面活性劑硬脂酸等，存在工藝復(fù)雜、成本高等不足；在專利CN101885614A中公開(kāi)了一種粉末注射成形用先驅(qū)體水溶性粘結(jié)劑及制備方法，其先驅(qū)體水溶性粘結(jié)劑 包含聚乙二醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚碳硅烷和硬脂酸，采用粉末注射成形以聚碳硅烷原位生成碳化硅作為增強(qiáng)相，所得的粘結(jié)劑組分間存在混合不均勻、制備工藝復(fù)雜，同時(shí)這種粘結(jié)劑只能與添加了燒結(jié)助劑的Si3N4粉末進(jìn)行復(fù)合，制品的密度不高，存在較多的孔隙，所以也存在很大局限性。同時(shí)，上述專利報(bào)導(dǎo)的內(nèi)容均未涉及制備金屬基復(fù)合材料。因此，尋找一種生產(chǎn)效率高、成本低并且制得的產(chǎn)品具有高性能、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的制備方法，以實(shí)現(xiàn)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料批量化生產(chǎn)極其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有粉末注射成形法與先驅(qū)體原位合成法相結(jié)合技術(shù)存在成本高、局限性大、混合不均勻等問(wèn)題。本發(fā)明的目的旨在提供一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，以金屬粉末和有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑混合均勻，不添加陶瓷增強(qiáng)相和任何其他粘結(jié)劑，避免了脫脂過(guò)程，用粉末注射成形制備坯體，在真空或惰性氣氛下燒結(jié)，先驅(qū)體原位合成納米級(jí)陶瓷在金屬粉末中分布均勻，克服了納米級(jí)陶瓷粉體團(tuán)聚，難以分散均勻的問(wèn)題，得到具有性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、低成本、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0008]本發(fā)明的一種原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，采用注射成形與先驅(qū)體原位生成相結(jié)合方法，優(yōu)選工藝為:將有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑與金屬粉末按重量比
1: 99~1: 2在混料機(jī)上于80~110°C溫度下混煉1.5~2.5h后成為均勻的喂料；喂料在注射成形機(jī)上于140~160°C溫度，120~150MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的金屬基復(fù)合材料成形坯；將所得的坯體在真空或惰性氣氛下，在1350~1430°C溫度進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率40~100°C /h，保溫2~4h，得到原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。其中所述有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑也是原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體。
[0009]優(yōu)選所述的有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑包括聚碳硅烷、含鋁聚碳硅烷、聚硼硅氧烷或聚氮硅烷，有機(jī)硅聚合物也是原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體；優(yōu)選所述的金屬粉末包含金屬銅粉、316L不銹鋼粉體、430L不銹鋼粉體、4J29合金、4J32合金、304L不銹鋼粉體、410L不銹鋼粉體或440L不銹鋼粉體。
`[0010]本發(fā)明還提供一種上述方法制備得到的均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)或特色:
[0012](I)創(chuàng)新性地使用了有機(jī)硅聚合物作為金屬粉末的粘結(jié)劑和原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體；
[0013](2)在注射成形過(guò)程不需要添加陶瓷增強(qiáng)相和任何其他粘結(jié)劑，同時(shí)避免了脫脂過(guò)程、雜質(zhì)的引入和節(jié)約了原材料；
[0014](3)由有機(jī)硅聚合物原位生成的納米級(jí)陶瓷在金屬粉末中分布均勻，對(duì)金屬基體材料有很好的增強(qiáng)效果，所得的復(fù)合材料具有性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、低成本、工藝簡(jiǎn)單、生
產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。
[0015](4)相比于現(xiàn)有技術(shù)，例如CN101037336，產(chǎn)品的性能不僅沒(méi)有消失，而且更好，性能更優(yōu)異，具體可參見(jiàn)數(shù)據(jù)表1。
[0016]經(jīng)過(guò)發(fā)明人創(chuàng)新性地使用有機(jī)硅聚合物作為金屬粉末的粘結(jié)劑和原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體，并且注射成形過(guò)程不需要添加陶瓷增強(qiáng)相和任何其他粘結(jié)劑，同時(shí)避免了脫脂過(guò)程、雜質(zhì)的引入和節(jié)約了原材料，更為顯著的是經(jīng)過(guò)發(fā)明人反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)造性勞動(dòng)得到的結(jié)果即所得的復(fù)合材料具有以下表1性能上的特點(diǎn)，具有本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)料不到的技術(shù)效果?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
[0018]圖2為專利CN101037336A的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，步驟為:將聚碳硅烷粘結(jié)劑與304L不銹鋼粉末按重量比1: 2在混料機(jī)上90°C溫度下混煉1.5h后成為均勻的喂料；喂料在注射成形機(jī)上于140°C溫度，120MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的金屬基復(fù)合材料成形坯；將所得坯體在真空氣氛下，1370°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率為10(TC /h，保溫2h，得到原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0021]實(shí)施例2
[0022]一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，步驟為:將聚鋁碳硅烷粘結(jié)劑與316L不銹鋼粉末按重量比1: 30在混料機(jī)上于100°C溫度下混煉2h后成為均勻的喂料；喂料在注射成形機(jī)上于150°C溫度，140MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的金屬基復(fù)合材料成形坯；將所得的坯體在惰性氣氛下，在1350°C溫度進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率為800C /h,保溫3h,得到原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0023]實(shí)施例3
[0024]一種原位生成均質(zhì)納米`級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，步驟為:將聚硼硅氧烷粘結(jié)劑與4J29合金按重量比1: 99在混料機(jī)上140°C溫度下混煉2.5h后成為均勻喂料；喂料在注射成形機(jī)上于200°C溫度下，200MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的金屬基復(fù)合材料成形坯；將所得的坯體在真空或惰性氣氛下，1430°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率為400C /h,保溫4h,得原位生成納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0025]上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明，以上實(shí)例便于理解本發(fā)明制備方法以在工藝參數(shù)調(diào)整上產(chǎn)品性能趨勢(shì)，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能清楚掌握本發(fā)明技術(shù)方案的創(chuàng)新實(shí)質(zhì)，并非僅在功能或產(chǎn)品性能上提出限定的實(shí)施方式。故而除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效交換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
[0026]表1本發(fā)明復(fù)合材料的性能
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于:采用注射成形法與先驅(qū)體原位合成法相結(jié)合，具體工藝為:將有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑與金屬粉末按重量比1: 99~1: 2在混料機(jī)上于90~140°C溫度下混煉I~2.5h成為均勻的喂料；喂料在注射成形機(jī)上于120~200°C溫度，90~200MPa壓力下注射成形，得到所需形狀的金屬基復(fù)合材料成形坯；將所得的坯體在真空或惰性氣氛下，在1350~1430°C溫度進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率為40~100°C /h，保溫I~4h，得到原位生成均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑包括聚碳硅烷、含鋁聚碳硅烷、聚硼硅氧烷或聚氮硅烷，所述有機(jī)硅聚合物粘結(jié)劑也是原位生成納米級(jí)陶瓷的先驅(qū)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的金屬粉末包含金屬銅粉、316L不銹鋼粉體、430L不銹鋼粉體、4J29合金、4J32合金、304L不銹鋼粉體、410L不銹鋼粉體或440L不銹鋼粉體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述方法制備得到的均質(zhì)納米級(jí)陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于所述復(fù)合材料用于航空航天、汽車、電子封裝和先進(jìn)導(dǎo)彈武器。`
【文檔編號(hào)】C22C1/10GK103849790SQ201410103762
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】田秀梅, 張冀, 馮春祥, 陳金梅, 馬小民 申請(qǐng)人:蘇州賽菲集團(tuán)有限公司