专利名称：一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法。
背景技术：
碳化硅陶瓷材料具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高密度、高比模量以及良好的高温性能和耐磨性等，而且其热膨胀系数小，抗冲击好，可广泛应用于现代国防、核能、空间技术和汽车工业、海洋工程的迅速发展，对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封件等领域。目前，利用碳化硅陶瓷材料的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀特性，可用其制备新一代的机械密封材料，如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片；用碳化硅陶瓷材料制成的砂泵及水力旋流器，具有很好的耐磨性能，用碳化硅陶瓷材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业机械，可作为高温热 机械用材料；碳化硅陶瓷材料由于具有良好的高温特性，如高温抗氧化、高温强度高、蠕变性小、热传导性好以及密度低，被首选为热机械的耐高温部件，诸如作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等；用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上，可减少摩擦30 50%，噪声明显降低；在军事方面，用碳化硅陶瓷材料与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，已用于火箭技术中，碳化硅陶瓷材料轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。但是，碳化硅陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性在很大程度上限制了它在干切削上的应用，其主要存在抗弯强度低、切削中易损坏、造成用它切削砂轮时的切削深度和进给量很小等弊端。碳化硅陶瓷材料常采用在基体中添加固体润滑剂后进行烧结而成，从而实现其自润滑性能。邬国平等提出石墨复合碳化硅陶瓷材料的制备采用传统的陶瓷制备工艺，在陶瓷粉体合成阶段，将一定尺寸的石墨颗粒以混料的形式引入基体中，通过造粒、干压成型后烧结成而成，这主要是石墨的存在降低了摩擦表面之间的摩擦系数。此外，桑可正等提出采用第二相粒子复合碳化硅制备碳化硅基复合材料，其利用游离Si可降低磨损界面摩擦系数的原理，采用反应烧结法制得Si/SiC-Ni陶瓷材料。近年来，随着表面工程技术的发展，一些表面技术逐渐应用于改善SiC陶瓷材料的自润滑性能，应用最多的是离子注入技术。Itoh报道，注入Ar+或Ag+的SiC陶瓷在与SuJ2钢对摩时，摩擦系数从未注入时O. 60降至
O.15，而且离子注入还使钢的磨损率降低到未注入时的1/5 ;这是因为离子注入使SiC陶瓷表面形成了无定形的含碳软膜，这层膜可以起减磨作用。但由于上述陶瓷材料制造工艺复杂，尤其是很难将细小的自润滑颗粒弥散在碳化硅基体中，从而限制了此类陶瓷材料的自润滑能力，极大的降低了耐磨部件的使用寿命和工作可靠性，且材料制备成本偏高。另外，通过表面改性技术制得的表面改性层通常很薄，限制了陶瓷材料在重载条件下的应用。针对上述碳化硅陶瓷材料的问题，本发明提出了一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，采用电磁场辅助CVI/CVD在碳化硅上沉积热解炭，所制备的碳化硅陶瓷材料有效地解决了其作为切削材料和机械密封材料时的不足。
发明内容
本发明针对碳化硅陶瓷材料作为切削材料和机械密封材料时的不足，所提出的解决方案是基于一种在基体自身产生的电磁场作用下沉积热解炭的思想，有效地减少了碳化硅陶瓷材料的孔隙，显著提高了碳化硅陶瓷材料的润滑性和密封性。本发明所提出的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤(I)将碳化硅陶瓷材料进行预处理；(2)将步骤(I)中的碳化硅陶瓷材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的电磁场辅助CVI/CVD炉中，在自限温热壁发热体系和变流电夹板式自发热体的共同作用下，在一定温度、压强条件下，利用电磁场辅助，对极化裂解的丙烯带电自由基进行场力加速吸附沉积；(3)将步骤⑵中沉积好的碳化硅陶瓷材料随炉冷却至室温，取出碳化硅材料。本发明所述步骤(I)中碳化硅陶瓷材料预处理包括在超声波作用下用洗涤、烘 干。本发明所述超声波清洗所用的溶液包括乙醇、丙酮等本发明所述步骤(2)中丙烯和氮气的纯度均在98%以上，丙烯和氮气按一定流量比通入炉体内，其中二者的流量比在I : 3 3 : I之间。本发明所述步骤(2)中沉积温度在700 1200°C，沉积压强在I 12Kpa，沉积时间4 20h。本发明采用电磁场辅助CVI/CVD在碳化硅上沉积热解炭，以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体，在自限温热壁发热体系和变流电夹板式自发热体的共同作用下，使已极化裂解的带电基团在碳化硅材料表面和联通微孔中发生由内及外的电磁场诱导沉积。其优点简述如下该工艺作为一种新型工艺，简单可控，通过控制沉积温度、系统压力、碳源浓度、碳源分压等参数有效地在碳化硅陶瓷材料内沉积了不同织构的热解炭，渗透沉积迅速，电磁场的辅助作用下，沉积时间短、沉积温度低；热解炭在碳化硅陶瓷材料孔隙和表层均匀分布，制备的碳化硅/热解炭材料的具有优良的耐磨性和耐蚀性，致密度高。
图I为本发明实施例I制备的样品的X射线衍射图谱。图2为本发明实施例2制备的碳化硅上沉积热解炭的断面扫描电镜照片。图3为本发明实施例2制备的碳化硅上沉积热解炭的断面孔隙扫描电镜照片。
具体实施例方式实施例I将碳化硅材料用酒精进行预处理，将预处理好的碳化硅材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的化学气相沉积炉中，其中丙烯和氮气的流量比例为I : 1，在SOO0CU. 5Kpa下，利用电磁场和热梯度将裂解极化的丙烯沉积6h ;然后随炉冷却，取样。实施例2将碳化硅材料用酒精进行预处理，将预处理好的碳化硅材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的化学气相沉积炉中，其中丙烯和氮气的流量比例在I : I之间，在900°C、lKpa下，利用电磁场和热梯度将裂解极化的丙烯沉积8h ;然后随炉冷却，取样。实施例3将碳化硅材料用酒精进行预处理，将预处理好的碳化硅材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的化学气相沉积炉中，其中丙烯和氮气的流量比例在I : I之间，在900°C、2Kpa下，利用电磁场和热梯度将裂解极化的丙烯沉积8h ;然后随炉冷却，取样。其部分性能指标如下肖氏硬度(HS)35. 2密度3. 016g/cm3磨损O. 138g/min。
权利要求
1.一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤 (1)将碳化硅陶瓷材料进行预处理； (2)将步骤(I)中的碳化硅陶瓷材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的电磁场辅助化学气相沉积炉中，在自限温热壁发热体系和变流电夹板式自发热体的共同作用下，在一定温度、压强条件下，利用电磁场辅助效应，对极化裂解的丙烯带电自由基进行场力吸附沉积。
(3)将步骤(2)中沉积好的碳化硅陶瓷材料随炉冷却至室温，取出碳化硅陶瓷材料。
2.根据权利要求I所述的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤(I)中碳化硅陶瓷材料预处理包括在超声波作用下用洗涤、烘干。
3.根据权利要求2所述的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于超声波清洗所用的溶液包括乙醇、丙酮等。
4.根据权利要求I所述的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中丙烯和氮气的纯度均在98%以上，丙烯和氮气按一定流量比通入炉体内，其中二者的流量比通常在I:3 3:I之间。
5.根据权利要求I所述的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中沉积温度在700 1200°C，沉积压强在I 12Kpa，沉积时间6 20h。
全文摘要
本发明公开了一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，该方法包括以下内容首先将碳化硅陶瓷材料进行预处理；然后将上一步的碳化硅陶瓷材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的电磁场辅助CVI/CVD炉中，在自限温热壁发热体系和变流电夹板式自发热体的共同作用下，在700～1200℃、0～12KPa下，利用电磁场辅助，对极化裂解的丙烯带电自由基进行场力吸附沉积，沉积时间6～20h；然后随炉冷却至室温、取样。本发明采用电磁场辅助CVI/CVD在碳化硅陶瓷材料上沉积热解炭新工艺，简单可控，渗透沉积迅速，热解炭在碳化硅材料孔隙和表层分布均匀；所制得的碳化硅/热解碳材料改变了碳化硅陶瓷材料机械复合方式的不足，有效地减少了碳化硅陶瓷材料的孔隙，显著提高了碳化硅陶瓷材料的润滑性和密封性。
文档编号C04B35/622GK102863219SQ20121010908
公开日2013年1月9日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者涂川俊, 蔡利辉, 黄启忠, 黄东 申请人:中南大学