本发明属于复合材料和工程陶瓷材料领域，特别涉及了一种弥散强化陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术：
离心泵作为流体输送的关键设备，其材料主要有铸钢、不锈钢、金属衬橡胶和金属衬陶瓷，虽然耐磨双相不锈钢因其材料强度高塑性好，但是在长时间输送具有腐蚀性固液介质时因材料的耐蚀性和耐磨性能差，造成流体输送设备损耗较大，不仅使生产成本提高，而且易产生安全隐患。为解决此问题，常采用衬橡胶或衬陶瓷的方法，但受橡胶和陶瓷材料使用寿命、易脱落和易堵塞喷嘴等缺点影响，亟待开发具有强抗磨损、抗腐蚀和耐高温等性能的金属基复合新材料及其相关制备技术。
随着陶瓷功能材料应用领域的不断扩展，促进了材料制备技术的发展，陶瓷材料的脆性和与金属的附着能也显著改善，使其在某些特殊工业领域凸显出卓越的发展潜力，这为输送具有固体颗粒的腐蚀性流体关键设备的选材带来了契机。鉴于此，本专利开发出一种适合于苛刻介质条件下离心泵用陶瓷复合材料的制备技术，即一种高性能金属表面原位控制弥散强化陶瓷复合材料制备的新方法。采用本专利技术制备的金属基陶瓷泵用复合材料可以处理含氯化物的腐蚀性固液流体，其中氯离子含量≤15％，腐蚀性流体中固相含量≤20％，温度≤260℃；此外，采用本专利技术制备的复合材料具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化和热稳定性好的特点，可广泛应用于化工、能源和制药等领域，这对于我国金属基陶瓷复合材料制备技术的提高具有重要的现实意义。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种弥散强化陶瓷复合材料及其制备方法，该复合材料由碳化硅、硫酸钙晶须、金属纤维和复合粘结剂通过真空混合、真空振动浇注成型和低温固化等过程制备而成，是一种高性能金属表面原位控制弥散强化陶瓷复合材料制备及其制备方法。
本发明的弥散强化陶瓷复合材料，由碳化硅、硫酸钙晶须、金属纤维和复合粘合剂复合而成，所述的陶瓷复合材料中，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属纤维和复合粘合剂相互交织分布；其中：
碳化硅由1～3mm多面体碳化硅颗粒、500～400μm多面体碳化硅颗粒、10～30μm球形碳化硅和90～100nm球形纳米碳化硅组成；硫酸钙晶须，其直径为0.5～1.5μm，长径比为90～110；金属纤维，其直径为7～10μm，长度为0.8～2.4mm；复合粘结剂，由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，环氧树脂的质量百分含量为75～99％，星型嵌段共聚物1～25％；
按质量比，1～3mm多面体碳化硅颗粒∶400～500μm多面体碳化硅颗粒∶10～30μm球形碳化硅∶90～100nm球形纳米碳化硅∶硫酸钙晶须∶金属纤维∶复合粘结剂＝(5～30)∶(5～30)∶(5～20)∶(1～5)∶(1～10)∶(0.5～5)∶(15～30)。
所述的星型嵌段共聚物由亚乙烯基多胺、聚合丙烯酸嵌段和聚丙烯烃嵌段制备而成；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为1～5％，聚合丙烯酸嵌段为20～80％，聚丙烯烃嵌段为15～79％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
所述的亚乙烯基多胺的分子量为100～300，聚合丙烯酸嵌段的分子量为1000～5000，聚丙烯烃嵌段的分子量为1000～5000，星型嵌段共聚物的分子量为3450～3550。
所述的陶瓷复合材料，金属纤维为钛纤维。
所述的陶瓷复合材料中的气孔体积百分比≤0.01％。
所述的陶瓷复合材料，其热膨胀系数为13.0×10-6～14.0×10-6/k-1，抗折强度可以达到92～100MPa，抗压强度176～188MPa，断裂延伸率为0.1～0.2％。
所述的陶瓷复合材料，其比重≤2.6。
所述的陶瓷复合材料，与其结合的金属材料为不锈钢、铸钢或球墨铸铁；结合后以金属为基体的连续相，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属纤维为第二相组成的复合材料，碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属纤维相互交织弥散在金属表面。
所述的陶瓷复合材料，与金属基体结合后的使用温度≤260℃。
本发明的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，真空混合：
将碳化硅、硫酸钙晶须、金属纤维和复合粘合剂，在真空条件下，混合均匀，制得浆料；其中：
碳化硅由1～3mm多面体碳化硅颗粒、500～400μm多面体碳化硅颗粒、10～30μm球形碳化硅和90～100nm球形纳米碳化硅组成；
硫酸钙晶须，其直径为0.5～1.5μm，长径比为90～110；
金属纤维，其直径为7～10μm，长度为0.8～2.4mm；
复合粘结剂，由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，环氧树脂的质量百分含量为75～99％，星型嵌段共聚物1～25％；
按质量百分含量，碳化硅质量百分含量+硫酸钙晶须质量百分含量+金属纤维质量百分含量+复合粘合剂质量百分含量＝100％；1～3mm多面体碳化硅颗粒：5～30％，400～500μm多面体碳化硅颗粒：5～30％，10～30μm球形碳化硅：5～20％，90～100nm球形纳米碳化硅1～5％；硫酸钙晶须：1～10％；金属纤维：0.5～5％，复合粘结剂：15～30％；
步骤2，真空振动浇注成型：
将浆料，在真空下，振动浇注至模具中；
步骤3，固化成型：
将模具与浇注浆料，加热至60～160℃，进行固化，固化时间为6～12h，制得弥散强化陶瓷复合材料。
上述的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法中：
所述步骤1中，多面体碳化硅颗粒为带有棱角的碳化硅颗粒。
所述步骤1中，长径比是指硫酸钙晶须的长与其直径的比。
所述步骤1中，1～3mm多面体碳化硅颗粒，是指多面体碳化硅颗粒平均直径为1～3mm的多面体碳化硅颗粒；500～400μm多面体碳化硅颗粒，是指多面体碳化硅颗粒平均直径为500～400μm的多面体碳化硅颗粒；10～30μm球形碳化硅，是指平均直径为10～30μm的球形碳化硅；90～100nm球形碳化硅，是指平均直径为90～100nm的球形碳化硅；采用粒度分析仪测试的结果。
所述步骤1中，金属纤维为钛纤维。
所述步骤1中，金属纤维带有钝化膜。
所述步骤1中，星型嵌段共聚物由亚乙烯基多胺、聚合丙烯酸嵌段和聚丙烯烃嵌段制备而成；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为1～5％，聚合丙烯酸嵌段为20～80％，聚丙烯烃嵌段为15～79％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
所述的亚乙烯基多胺的分子量为100～300，聚合丙烯酸嵌段的分子量为1000～5000，聚丙烯烃嵌段的分子量为1000～5000，星型嵌段共聚物的分子量为3450～3550。
所述步骤l中，真空度20～200Pa。
所述步骤1中，采用搅拌使物料混合均匀，搅拌转数为20～100r/min，混合时间为10～120min，
所述步骤1，将各个物料置于混合反应器中，在真空条件下，进行搅拌混合。
所述步骤2中，真空度为60～180Pa。
所述步骤2中，浆料为脱气后的浆料。
所述步骤2中，浇注的模具腔体由要与其结合的金属基体和内芯或外框组成。
所述步骤2中，振动频率为10～50Hz。
本发明弥散强化陶瓷复合材料及其制备方法，主要过程的基本原理如下：
利用碳化硅陶瓷材料自有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性、高磨削能力、耐高温性、抗热震性等优异性能，并借助硫酸钙晶须和超细金属纤维强韧性高、稳定性和抗热震性好等特点进行复合陶瓷材料的补强增韧，通过真空混合、真空振动浇注成型和低温固化反应工艺，在金属表面进行陶瓷复合材料的原位控制，并利用超细粉体材料、无机晶须和超细金属纤维材料特性，在金属基陶瓷复合材料中实现弥散强化作用，以改善单一碳化硅基陶瓷材料综合力学性能不足的问题，本专利旨在获得一种具有硬度高、弹性模量大和摩擦系数小的工程陶瓷新材料，并且该材料还要具有较高的使用温度、高耐磨损性、较强耐腐蚀性能、较高的抗弯强度和断裂韧性能，以及自润滑性能等性能指标。
本发明以不同粒径和形态的碳化硅、硫酸钙晶须和金属纤维等材料为添加剂，配以复合粘合剂，通过适宜的工艺制度，制备出弥散强化陶瓷复合材料，浇注与固化后，与金属基体结合后形成的金属基复合材料，是以金属为基体，在其表面复合陶瓷材料，是以金属为基体的连续相，而不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属超细纤维为第二相组成的复合材料；在制备过程中采用真空混合和真空振动浇注方式，不仅实现了第二相粒子在复合材料中的弥散强化作用，而且还可以实现复合材料内部的无气孔控制，从而使其导热性能、耐磨性能和综合力学性能显著提高，不仅横向剪切强度高，而且韧性、抗疲劳强度和强塑性等力学性能好，同时还具有导热、耐磨、抗热震性和耐腐蚀等优点。可以在260℃下正常使用，这种金属基复合材料的比重仅为钢铁材料的1/3，为钛合金的2/3，与铝合金相近，但它的耐磨性和耐腐蚀性是不锈钢的8倍，复合强度是普通碳化硅金属基复合材料的3倍；从而使这种金属基陶瓷复合材料具有高硬度和高耐磨性、耐化学腐蚀、抗氧化、热膨胀系数与金属相近等优异的性能，同时，易于低温成型处理，且与金属基体附着力强，气孔率极低。
本发明的弥散强化陶瓷复合材料及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
本发明能够有效解决较高腐蚀性的固液介质在输送时对泵体材料的磨损和腐蚀问题，不仅为金属基陶瓷复合材料的制备提供了一种新方法，而且为高腐蚀性固液流体的输送设备提供了一种性能优异的新材料。采用本专利技术制备的复合材料具有与金属基体附着力强、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化和抗热冲击好等特点，可广泛应用于化工、制药和造纸等领域，利用该陶瓷材料制备的金属基陶瓷泵不仅可以显著延长设备使用寿命，还可以降低生产成本，减少维护费用，提高流体输送过程中的生产安全性和可靠性；这对于提高我国高耐蚀性和高温固液混合流体输送的关键设备开发及材料制备技术具有重要的现实意义。
附图说明
图1本发明实施例1～4的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例的实施例1～4的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法的工艺流程图如图1所示。
实施例1
一种弥散强化陶瓷复合材料，由碳化硅、硫酸钙晶须、表面附有钝化膜的金属钛纤维和复合粘合剂复合而成，所述的陶瓷复合材料中，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维和复合粘合剂相互交织分布；其中：
按质量比，1.5mm±0.5mm多面体碳化硅颗粒∶450μm±50μm多面体碳化硅颗粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶100nm球形纳米碳化硅∶长径比为100和直径为1μm的硫酸钙晶须∶直径8μm和长度1mm表面附有钝化膜的金属钛纤维∶复合粘结剂＝30∶5∶20∶5∶10∶5∶15；
所述的复合粘结剂由由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，按质量比，环氧树脂∶星型嵌段共聚物＝99∶1；所述星型嵌段共聚物由分子量为300的亚乙烯基多胺、分子量为1000聚合丙烯酸嵌段和分子量为5000聚丙烯烃嵌段制备而成；星型嵌段共聚物的分子量为3450；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为1％，聚合丙烯酸嵌段为20％，聚丙烯烃嵌段为79％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
上述的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：所述的
步骤1，真空混合：
按上述弥散强化陶瓷复合材料中的成分配比，将不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须、金属钛纤维和复合粘合剂置于混合反应器中，在真空度为200Pa条件下，搅拌混合均匀，搅拌转数为20r/min，混合时间为120min，制得浆料；
步骤2，真空振动浇注成型：
将浆料，在真空度为180Pa条件下，振动浇注至模具中；其中，振动频率为20Hz，浇注的模具腔体由要与其结合的金属基体不锈钢和外框组成；
步骤3，固化成型：
将模具与浇注浆料，加热至60℃，进行固化，固化时间为12h，制得弥散强化陶瓷复合材料。
本实施例制备的弥散强化陶瓷复合材料，所述的陶瓷复合材料中的气孔体积百分比≤0.01％。
本实施例制备的陶瓷复合材料，与其结合的金属材料为不锈钢；结合后以金属为基体的连续相，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维为第二相组成的复合材料，碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维相互交织弥散在金属表面。
本实施例制备出的金属基陶瓷复合材料的耐温性能可以达到200℃、耐磨性与普通耐磨合金钢相比提高6倍、热膨胀系数为14.0×10-6/k-1、抗折强度可以达到100MPa、抗压强度188MPa，断裂延伸率可以达到0.2％。
实施例2
一种弥散强化陶瓷复合材料，由碳化硅、硫酸钙晶须、表面附有钝化膜的金属钛纤维和复合粘合剂复合而成，所述的陶瓷复合材料中，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维和复合粘合剂相互交织分布；其中：
按质量比，2.5mm±0.5mm多面体碳化硅颗粒∶450μm±50μm多面体碳化硅颗粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形纳米碳化硅∶长径比为90和直径为1.5μm的硫酸钙晶须∶直径10μm和长度1.2mm表面附有钝化膜的金属钛纤维∶复合粘结剂＝5∶30∶20∶1∶5∶5∶30；
所述的复合粘结剂由由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，按质量比，环氧树脂∶星型嵌段共聚物＝75∶25；所述星型嵌段共聚物由分子量为300的亚乙烯基多胺、分子量为5000聚合丙烯酸嵌段和分子量为1000聚丙烯烃嵌段制备而成；星型嵌段共聚物的分子量为3550；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为5％，聚合丙烯酸嵌段为80％，聚丙烯烃嵌段为15％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
上述的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，真空混合：
按上述弥散强化陶瓷复合材料中的成分配比，将不同形态的碳化硅、硫酸钙晶须、金属钛纤维和复合粘合剂置于混合反应器中，在真空度为20Pa条件下，搅拌混合均匀，搅拌转数为100r/min，混合时间为10min，制得浆料；
步骤2，真空振动浇注成型：
将浆料，在真空度为60Pa条件下，振动浇注至模具中；其中，振动频率为30Hz，浇注的模具腔体由要与其结合的金属基体铸钢和内芯组成；
步骤3，固化成型：
将模具与浇注浆料放入固化炉中，加热至160℃，进行固化，固化时间为6h，制得弥散强化陶瓷复合材料。
本实施例制备的弥散强化陶瓷复合材料，所述的陶瓷复合材料中的气孔体积百分比≤0.01％。
本实施例制备的陶瓷复合材料，与其结合的金属材料为铸钢；结合后以金属为基体的连续相，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维为第二相组成的复合材料，碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维相互交织弥散在金属表面。
本实施例制备出的金属基陶瓷复合材料的耐温性能可以达到260℃、耐磨性与普通耐磨合金钢相比提高5.4倍，热膨胀系数为13.0×10-6/k-1，抗折强度可以达到95MPa，抗压强度176MPa，断裂延伸率可以达到0.2％。
实施例3
一种弥散强化陶瓷复合材料，由碳化硅、硫酸钙晶须、表面附有钝化膜的金属钛纤维和复合粘合剂复合而成，所述的陶瓷复合材料中，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维和复合粘合剂相互交织分布；其中：
按质量比，2mm±0.5mm多面体碳化硅颗粒∶450μm±50μm多面体碳化硅颗粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形纳米碳化硅∶长径比为110和直径为0.5μm的硫酸钙晶须∶直径7μm和长度2.4mm表面附有钝化膜的金属钛纤维∶复合粘结剂＝15∶15∶10∶3∶10∶0.5∶25；
所述的复合粘结剂由由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，按质量比，环氧树脂∶星型嵌段共聚物＝85∶15；所述星型嵌段共聚物由分子量为200的亚乙烯基多胺、分子量为3000聚合丙烯酸嵌段和分子量为3500聚丙烯烃嵌段制备而成；星型嵌段共聚物的分子量为3500；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为3％，聚合丙烯酸嵌段为50％，聚丙烯烃嵌段为47％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
上述的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，真空混合：
按上述弥散强化陶瓷复合材料中的成分配比，将不同形态的碳化硅、硫酸钙晶须、金属钛纤维和复合粘合剂置于混合反应器中，在真空度为100Pa条件下，搅拌混合均匀，搅拌转数为60r/min，混合时间为80min，制得浆料；
步骤2，真空振动浇注成型：
将浆料，在真空度为100Pa条件下，振动浇注至模具中；其中，振动频率为30Hz，浇注的模具腔体由要与其结合的金属基体球墨铸铁和外框组成；
步骤3，固化成型：
将模具与浇注浆料，加热至100℃，进行固化，固化时间为8h，制得弥散强化陶瓷复合材料。
本实施例制备的弥散强化陶瓷复合材料，所述的陶瓷复合材料中的气孔体积百分比≤0.01％。
本实施例制备的陶瓷复合材料，与其结合的金属材料为球墨铸铁；结合后以金属为基体的连续相，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维为第二相组成的复合材料，碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维相互交织弥散在金属表面。
本实施例制备出的金属基陶瓷复合材料的耐温性能可以达到200℃、耐磨性与普通耐磨合金钢相比提高5.8倍，热膨胀系数为13.8×10-6/k-1，抗折强度可以达到98MPa，抗压强度180MPa，断裂延伸率可以达到0.2％。
实施例4
一种弥散强化陶瓷复合材料，由碳化硅、硫酸钙晶须、表面附有钝化膜的金属钛纤维和复合粘合剂复合而成，所述的陶瓷复合材料中，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维和复合粘合剂相互交织分布；其中：
按质量比，2mm±0.5mm多面体碳化硅颗粒∶450μm±50μm多面体碳化硅颗粒∶25μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形纳米碳化硅∶长径比为100和直径为0.8μm的硫酸钙晶须∶直径9μm和长度1.8mm表面附有钝化膜的金属钛纤维∶复合粘结剂＝10∶20∶20∶2∶5∶3∶15；
所述的复合粘结剂由由环氧树脂和星型嵌段共聚物组成，按质量比，环氧树脂∶星型嵌段共聚物＝90∶10；所述星型嵌段共聚物由分子量为200的亚乙烯基多胺、分子量为2000-聚合丙烯酸嵌段和分子量为4000聚丙烯烃嵌段制备而成；星型嵌段共聚物的分子量为3580；制备时，三者的质量百分含量分别为：亚乙烯基多胺为4％，聚合丙烯酸嵌段为30％，聚丙烯烃嵌段为66％；亚乙烯基多胺作为起始剂。
上述的弥散强化陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，真空混合：
按上述弥散强化陶瓷复合材料中的成分配比，将不同形态的碳化硅、硫酸钙晶须、金属钛纤维和复合粘合剂置于混合反应器中，在真空度为50Pa条件下，搅拌混合均匀，搅拌转数为100r/min，混合时间为45min，制得浆料；
步骤2，真空振动浇注成型：
将浆料，在真空度为180Pa条件下，振动浇注至模具中；其中，振动频率为50Hz，浇注的模具腔体由要与其结合的金属基体不锈钢和内芯组成；
步骤3，固化成型：
将模具与浇注浆料，加热至160℃，进行固化，固化时间为10h，制得弥散强化陶瓷复合材料。
本实施例制备的弥散强化陶瓷复合材料，所述的陶瓷复合材料中的气孔体积百分比≤0.01％。
本实施例制备的陶瓷复合材料，与其结合的金属材料为不锈钢；结合后以金属为基体的连续相，不同形态的碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维为第二相组成的复合材料，碳化硅颗粒、硫酸钙晶须和金属钛纤维相互交织弥散在金属表面。
本实施例制备出的金属基陶瓷复合材料的耐温性能可以达到260℃、耐磨性与普通耐磨合金钢相比提高5.9倍、热膨胀系数为13.2×10-6/k-1，抗折强度可以达到92MPa，抗压强度185MPa，断裂延伸率可以达到0.2％。