本發(fā)明涉及陶瓷復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地，涉及一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料及制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：賽隆陶瓷在高溫下具有硬度高、韌性好、蠕變小、抗熱震抗氧化性強(qiáng)、膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)越的物理化學(xué)性能。且其工藝方法成熟可控、原料國(guó)產(chǎn)化程度高、成本相對(duì)低廉。因此，賽隆陶瓷是當(dāng)前替代現(xiàn)有耐高溫?cái)嚢桀^材料，制備高性能低成本攪拌摩擦焊攪拌頭的最理想材料體系。但賽隆陶瓷攪拌頭仍存在脆性大的不足，這嚴(yán)重限制其推廣應(yīng)用，迫切需要改善其韌性。碳纖維具有密度低、強(qiáng)度和模量高，高溫穩(wěn)定性好，無蠕變，耐疲勞和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于陶瓷基復(fù)合材料中，大量研究表明可明顯提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性等綜合性能。當(dāng)前高性能船舶的快速發(fā)展不僅取決于鋁合金等高強(qiáng)度新材料的應(yīng)用，還依賴于其焊接技術(shù)的進(jìn)步。但高速鋁合金船舶存在鋁鋼兩種異種金屬焊接難題，攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接方法，它基本不受材料物理化學(xué)性能、機(jī)械性能及晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響，對(duì)于異種材料的焊接具有極大的優(yōu)勢(shì)。因此，攪拌摩擦焊是解決當(dāng)前高速船舶鋁鋼焊接難題的首選連接技術(shù)。攪拌頭作為攪拌摩擦焊的“心臟”，其材料和結(jié)構(gòu)是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心。攪拌頭直接承受焊接過程的熱載、力載及摩擦磨損，因此要求用來制造攪拌頭的材料需具有高于被焊材料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和韌性、良好的抗磨損能力和耐高溫性等。對(duì)于鋁鋼焊接，由于鋼為高熔點(diǎn)材料，在焊接時(shí)最高溫度可達(dá)1000℃以上。當(dāng)前常用的攪拌頭材料主要為鎢基材料和立方氮化硼。但鎢價(jià)格昂貴，且鎢難以進(jìn)行機(jī)械加工，難成型異形尺寸件，而攪拌頭均為異形結(jié)構(gòu)，因此鎢基合金攪拌頭制造成本很高。立方BN攪拌頭高溫穩(wěn)定性和耐磨性好，高溫強(qiáng)度和硬度高，但制造立方BN需要高溫高壓，且成型異形尺寸件也較困難。因而立方BN攪拌頭制造成本也很高，價(jià)格昂貴。因此，迫切需求發(fā)展新型高性能耐高溫?cái)嚢枘Σ梁笖嚢桀^材料及其低成本、可控制備技術(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有賽隆陶瓷的材料性能不足，提供一種低成本、高性能碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明還提供一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方法來解決：提供一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S1.碳纖維表面處理：對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，得到表面具有SiC涂層的改性碳纖維，然后進(jìn)行短切；S2.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，加入Y2O3后得到混料，以無水乙醇為球磨介質(zhì)將混料進(jìn)行球磨，并在球磨過程中加入步驟S1的改性碳纖維，球磨完成后進(jìn)行干燥處理，得到的粉體密封待用；S3.生坯壓制：將經(jīng)步驟S2制得的粉體進(jìn)行干壓成形，得到生坯；S4.燒結(jié)成型：將步驟S3制得生坯放入惰性氣體氣氛爐進(jìn)行兩步法燒結(jié)成型；其中，S1所述碳纖維表面制備SiC涂層的方法包括以下步驟：S11.將碳纖維放入化學(xué)氣相沉積爐中；然后采用三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣作為沉積氣源進(jìn)行沉積改性反應(yīng)，得到表面具有SiC涂層的改性碳纖維。步驟S1碳纖維表面的處理，解決了碳纖維與賽隆陶瓷高溫反應(yīng)及其界面匹配問題，成功地將碳纖維加入到賽隆陶瓷當(dāng)中，碳纖維具有密度低、強(qiáng)度和模量高，高溫穩(wěn)定性好，無蠕變，耐疲勞和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，明顯提高了賽隆陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性等綜合性能，改善了其脆性。步驟S2中采用分子式Si4Al2O2N6的賽隆陶瓷原因在于低Z值系列(Z＝0.3，Z＝0.6)的β-Sialon在燒結(jié)過程中易形成Y2SiAlO5N(B相)，Y2SiAlO5N(B相)對(duì)材料的韌性不利，須通過控制工藝參數(shù)避免Y2SiAlO5N(B相)的生成,高Z值系列(Z＝3，4)的β-Sialon在燒結(jié)過程中易形成Si2Al3O7N和AlN多型體，其對(duì)β-Sialon材料的力學(xué)性能不利。優(yōu)選地，步驟S1所述短切長(zhǎng)度為2～4mm。優(yōu)選地，步驟S2所述Y2O3為3～6wt％。優(yōu)選地，步驟S2所述球磨還包括以下步驟：S21.將混料、研磨球和球磨介質(zhì)按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入球磨罐中；所述研磨球選用不同大小的剛玉，所述球磨介質(zhì)選用無水乙醇，所述球磨罐選用聚四氟乙烯球磨罐；S22.將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨20～24小時(shí)。優(yōu)選地，步驟S2干燥處理是指在80℃烘箱中干燥6～10小時(shí)。優(yōu)選地，S3所述干壓成形是指將粉體置于Ф30mm鋼模內(nèi)，40MPa壓力下，干壓預(yù)成型。優(yōu)選地，步驟S4所述兩步法燒結(jié)成型是指第一步將生坯放置在氮?dú)鈮簽?.1～2.1MPa，溫度1150℃～1850℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.1～8.0MPa，溫度1400℃～1830℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)。優(yōu)選地，步驟S12所述沉積改性反應(yīng)是指控制三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為1:1.5～2:2～4，沉積溫度為1000～1100℃、沉積壓力為700～1000Pa，沉積時(shí)間為2～4小時(shí)。優(yōu)選地，步驟S2所述加入碳纖維的重量為1～6wt％。本發(fā)明同時(shí)提供應(yīng)用所述碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，制備得到低成本、高性能碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法，將所述碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，得到碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭。本發(fā)明采用碳纖維/賽隆陶瓷作為原料制備摩擦焊攪拌頭，所述碳纖維/賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性，而且賽隆陶瓷和碳纖維原材料價(jià)格低廉，來源廣泛。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明引入了改性碳纖維加入賽到隆陶瓷中，解決了現(xiàn)有技術(shù)中賽隆陶瓷材料性能不足的問題，相比現(xiàn)有的賽隆陶瓷材料，加入改性碳纖維后在保持了現(xiàn)有賽隆陶瓷材料優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上還極大提高了韌性。碳纖維具有密度低、強(qiáng)度和模量高，高溫穩(wěn)定性好，無蠕變，耐疲勞和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，提高了賽隆陶瓷的強(qiáng)度和韌性等綜合性能，改善其脆性，本發(fā)明通過對(duì)碳纖維表面處理，解決了碳纖維與賽隆陶瓷高溫反應(yīng)及其界面匹配問題，得到了一種低成本、高性能碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有耐高溫?cái)嚢桀^原材料成本高昂、制備工藝復(fù)雜、難加工及加工量大，制造成本高昂?jiǎn)栴}，提供一種低成本、制備工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)可控的賽隆陶瓷攪拌頭的工藝方法，所制備的攪拌頭具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性，而且賽隆陶瓷和碳纖維原材料價(jià)格低廉，來源廣泛。本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)可控，且通過原材料組元設(shè)計(jì)及制備工藝參數(shù)調(diào)整，易實(shí)現(xiàn)攪拌頭的組織結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化和調(diào)控；本發(fā)明制備的碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料攪拌頭耐高溫(1000℃以上)、強(qiáng)度及韌性高、耐磨性好、使用壽命長(zhǎng)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。除非特別說明，本發(fā)明實(shí)施例使用的各種原料均可以通過常規(guī)市購(gòu)得到，或根據(jù)本領(lǐng)域的常規(guī)方法制備得到，所用設(shè)備為實(shí)驗(yàn)常用設(shè)備。除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所熟悉的意義相同。實(shí)施例1本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S1.將碳纖維放入化學(xué)氣相沉積爐中；S2.控制沉積氣源三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為1:1.5:2，沉積溫度為1000℃、沉積壓力為700Pa，沉積時(shí)間為2小時(shí)，在碳纖維表面制得SiC涂層，然后進(jìn)行短切至長(zhǎng)度為2mm備用；S3.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入3wt％Y2O3得到混料，將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入聚四氟乙烯球磨罐中，將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨20小時(shí)，在球磨混料完成前半小時(shí)加入重量為1wt％步驟S3制得的碳纖維，然后干燥處理，得到的粉體密封待用；S4.生坯壓制：將經(jīng)步驟S4制得的粉體在直徑為30㎜鋼模中，40MPa壓力下進(jìn)行干壓預(yù)成形，得到生坯；S5.燒結(jié)成型：將步驟S5制得生坯放入氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行程序升溫，采用兩步法燒結(jié)成型，第一步放置在氮?dú)鈮簽?.1MPa，溫度為1150℃，以升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.1MPa，溫度為1400℃，以升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)。實(shí)施例2本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S1.將碳纖維放入化學(xué)氣相沉積爐中；S2.控制沉積氣源三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為1:1.7:3，沉積溫度為1050℃、沉積壓力為800Pa，沉積時(shí)間為3小時(shí)，在碳纖維表面制得SiC涂層，然后進(jìn)行短切至長(zhǎng)度為3mm備用；S3.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入4wt％Y2O3后得到混料，將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入聚四氟乙烯球磨罐中，將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨22小時(shí)，在球磨混料完成前半小時(shí)加入重量為2wt％步驟S3制得的碳纖維，然后干燥處理，得到的粉體密封待用；S4.生坯壓制：將經(jīng)步驟S4制得的粉體在直徑為30㎜鋼模中，40MPa壓力下進(jìn)行干壓預(yù)成形，得到生坯；S5.燒結(jié)成型：將步驟S5制得生坯放入氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行程序升溫，采用兩步法燒結(jié)成型，第一步放置在氮?dú)鈮簽?MPa，溫度為1300℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.0MPa，溫度為1500℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)；實(shí)施例3本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S1.將碳纖維放入化學(xué)氣相沉積爐中；S2.控制沉積氣源三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為1:1.9:4，沉積溫度為1100℃、沉積壓力為900Pa，沉積時(shí)間為4小時(shí)，在碳纖維表面制得SiC涂層，然后進(jìn)行短切至長(zhǎng)度為4mm備用；S3.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入6wt％Y2O3后得到混料，將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入聚四氟乙烯球磨罐中，將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨24小時(shí)，在球磨混料完成前半小時(shí)加入重量為4wt％步驟S3制得的碳纖維，然后干燥處理，得到的粉體密封待用；S4.生坯壓制：將經(jīng)步驟S4制得的粉體在直徑為30㎜鋼模中，40MPa壓力下進(jìn)行干壓預(yù)成形，得到生坯；S5.燒結(jié)成型：將步驟S5制得生坯放入氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行程序升溫，采用兩步法燒結(jié)成型，第一步放置在氮?dú)鈮簽?.1MPa，溫度為1400℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.0MPa，溫度為1600℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)；實(shí)施例4本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：S1.將碳纖維放入化學(xué)氣相沉積爐中；S2.控制沉積氣源三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量比為1:2:4，沉積溫度為1100℃、沉積壓力為1000Pa，沉積時(shí)間為4小時(shí)，在碳纖維表面制得SiC涂層，然后進(jìn)行短切至長(zhǎng)度為4mm備用；S3.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入6wt％Y2O3后得到混料，將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入聚四氟乙烯球磨罐中，將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨24小時(shí)，在球磨混料完成前半小時(shí)加入重量為6wt％步驟S3制得的碳纖維，然后干燥處理，得到的粉體密封待用；S4.生坯壓制：將經(jīng)步驟S4制得的粉體在直徑為30㎜鋼模中，40MPa壓力下進(jìn)行干壓預(yù)成形，得到生坯；S5.燒結(jié)成型：將步驟S5制得生坯放入氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行程序升溫，采用兩步法燒結(jié)成型，第一步放置在氮?dú)鈮簽?.1MPa，溫度為1850℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.0MPa，溫度為1830℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時(shí)；實(shí)施例5本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法，包括以下步驟：S1.取實(shí)施例1制備得到的碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。S2.將上述材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，最終制得包含碳纖維的賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭。實(shí)施例6本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法，包括以下步驟：S1.取實(shí)施例2制備得到的碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。S2.將上述材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，最終制得碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭。實(shí)施例7本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法，包括以下步驟：S1.取實(shí)施例3制備得到的碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。S2.將上述材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，最終制得碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭。實(shí)施例8本實(shí)施例提供一種碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭的制備方法，包括以下步驟：S1.取實(shí)施例4制備得到的碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料。S2.將上述材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，最終制得碳纖維/賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭。對(duì)比例1本對(duì)比例提供一種賽隆陶瓷攪拌頭的制備方法，既賽隆陶瓷中不加入碳纖維材料，包括以下步驟：S1.原料配制及混合：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計(jì)算并稱取稱量相應(yīng)的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入6wt％Y2O3后得到混料，將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質(zhì)量比1:1.5:2裝入聚四氟乙烯球磨罐中，將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機(jī)中球磨24小時(shí)，然后干燥處理，得到的粉體密封待用；S2.生坯壓制：將經(jīng)步驟S4制得的粉體在直徑為30㎜鋼模中，40MPa壓力下進(jìn)行干壓預(yù)成形，得到生坯；S3.燒結(jié)成型：將步驟S5制得生坯放入氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行程序升溫，采用兩步法燒結(jié)成型，第一步放置在氮?dú)鈮簽?.1MPa，溫度為1150℃下，以升溫速率為10℃/min至1850℃，保溫1小時(shí)，第二步放置在氮?dú)鈮簽?.0MPa，溫度為1400℃下，以升溫速率為10℃/min至1830℃，保溫1小時(shí)，得到賽隆陶瓷材料；S4.將步驟S3所制得的賽隆材料按設(shè)計(jì)的攪拌頭外形結(jié)構(gòu)和尺寸，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精加工，最終制得賽隆陶瓷攪拌摩擦焊攪拌頭。性能測(cè)試結(jié)果及表征對(duì)實(shí)施例5～實(shí)施例8、對(duì)比例1制備所得攪拌頭進(jìn)行性能檢測(cè)，具體地：采用阿基米德法測(cè)量材料的密度，每個(gè)數(shù)據(jù)至少測(cè)三根試樣取平均值。采用萊州華儀試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的小時(shí)V-10A維氏硬度計(jì)，測(cè)定維氏硬度，載荷1kg，加載10s，測(cè)試五個(gè)點(diǎn)，取平均值。試樣的抗彎曲強(qiáng)度測(cè)試過程參照《工程陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB6569-86)進(jìn)行，在CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定。彎曲強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，試樣尺寸為4mm×3mm×36mm(寬×厚×長(zhǎng))，跨距30mm，加載速率為0.5mm/min。試樣受拉面拋光，并且要求倒角(45°)。采用Vicker壓痕法測(cè)量材料的斷裂韌性，壓痕由萊州華儀試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的小時(shí)V-10A維氏硬度計(jì)產(chǎn)生，加載速率為0.5mm/min，載荷10kg，加載時(shí)間10s。具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示。對(duì)實(shí)施例5～實(shí)施例8中制備所得攪拌頭進(jìn)行材料分析，該材料為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，碳纖維均勻分布在賽隆陶瓷中，具體如表2所示。表1攪拌頭的主要性能指標(biāo)實(shí)施例密度(g/cm3)維氏硬度(HV)抗彎強(qiáng)度(Mpa)斷裂韌性(MPa·m1/2)實(shí)施例53.1515877967.95實(shí)施例63.1515987917.84實(shí)施例73.1716128037.87實(shí)施例83.1616028057.92對(duì)比例13.2116008017.18表2攪拌頭的主要材質(zhì)實(shí)施例碳纖維含量(wt％)β-賽隆陶瓷含量(wt％)實(shí)施例51.0099.00實(shí)施例62.0097.89實(shí)施例74.0095.28實(shí)施例86.0094.00通過實(shí)施例5～實(shí)施例8分析可知，采用碳纖維/賽隆陶瓷復(fù)合材料制備的攪拌頭材料性能優(yōu)異，密度較低，硬度和強(qiáng)度與不加改性碳纖維的對(duì)比例1相同，但是韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比例1中不加改性碳纖維的韌性，并且攪拌頭的β-賽隆陶瓷含量較高，碳纖維與賽隆陶瓷結(jié)合性好。當(dāng)前第1頁1 2 3