本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮及其凝胶注模成型制备方法。
背景技术：
碳化硅陶瓷材料因硬度高、耐腐蚀、耐磨损、耐高温、高热导等一系列优异性能，在航空、航天、军事、化工、石油及核能领域有重要应用。特别是化工、石油及核电站经常需要将高温、强酸碱性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高温、耐强酸碱腐蚀、耐磨损的陶瓷泵。无压烧结碳化硅是制备陶瓷泵过流部件的理想候选材料，但由于sic陶瓷分子结构的键合特点，导致其缺乏塑性变形能力，表现出较大的脆性，从而严重影响了其作为结构材料的应用。
碳纤维具有低密度、高比强度和比模量、耐高温、耐化学腐蚀、导热和导电性能优良、热膨胀系数小等特点，是一种重要的复合材料增强体。碳纤维以及碳纤维复合材料在核电、航空航天、国防军工、机械制造等领域都有广泛的应用。用碳纤维增强增韧sic陶瓷，可使材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既增强了材料的强度和韧性，又保持了sic陶瓷良好的高温强度、高温稳定性和高温抗氧化能力。
陶瓷材料另外的一个问题是烧结后机加工难度大，如何制备出满足性能要求、形状复杂精确的大尺寸陶瓷部件，一直是工业界的一个难题。凝胶注模成型是近年来倍受关注的一种近净成型技术，该技术是由美国橡树岭国家实验室于20世纪90年代初发明的一种胶态快速成型技术，将传统的粉体成型工艺与聚合物化学结合起来，把高分子单体的聚合反应特点应用到粉体成型领域中。其技术原理是利用有机单体在聚合成三维网状的聚合物的同时，将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹，从而使之原位固化，形成具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。该工艺具有所需设备简单、成型坯体组成均匀、缺陷少、不易变形、近净尺寸成型复杂形状结构件及实用性强等突出优点，受到国内外学术界和工业界的广泛关注。目前，凝胶注模成型技术已广泛地应用于a12o3、zro2、sic、aln、si3n4等氧化物或非氧化物的精密陶瓷结构件的生产体系中。我们小组采用凝胶注模成型技术制备出纯sic陶瓷叶轮(cn102875150b)，显示出了优异的耐高温、耐腐蚀、抗磨损性能。但由于碳化硅脆性大，在实际使用中极易发生无预兆性突然脆断，严重影响了生产的稳定性和连续性，急迫需要解决碳化硅陶瓷的脆性问题。为此，我们向碳化硅基体中引入短切碳纤维，通过纤维对裂纹的偏转和缝合及纤维拔出提高陶瓷的断裂韧性(lix,yanq,caom,etal.theinfluenceofgranulationonthegelcastingofpressureless-sinteredsiliconcarbideceramics[j].ceramicsinternational,2014,40(5):7245-7251.)。研究中发现超细陶瓷粉体和短切碳纤维由于颗粒细小，具有很大的表面能，粒子间的自聚集作用很强，导致sic陶瓷粉体和短切碳纤维很难均匀分散在凝胶体系中。纤维添加量必须高于5％时，则难以烧结致密化，强度和韧性降低。
技术实现要素：
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮及其凝胶注模成型制备方法，对粉体进行表面处理，通过接枝聚合向碳化硅陶瓷粉体和碳纤维表面引入高分子聚合物，进而提高了粉体在凝胶体系中的分散性，提高固含量和纤维加入量，满足了纤维增韧sic陶瓷叶轮对均匀性的苛刻要求。
本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、烧结助剂、偶联剂、无水乙醇混合后，球磨得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇搅拌均匀，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，接着球磨，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水混合后进行搅拌，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体、交联剂、消泡剂、分散剂、去离子水混合后进行搅拌，接着抽真空脱气得到第二混合物料，然后加入热分解自由基引发剂混合均匀，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，接着进行真空脱胶，再进行烧结，冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
优选地，s1中，碳化硅粉体、偶联剂、无水乙醇的重量比为0.5～3：0.5～3：3～8。
优选地，s1中，球磨时间为1～20h。
优选地，s1中，烧结助剂与碳化硅粉体的重量比为0.2～3：100。
优选地，s1中，烧结助剂为碳化硼粉体或硼粉。
优选地，s2中，短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇的重量比为0.5～3：0.5～3：3～8。
优选地，s2中，短切碳纤维占第一混合物料固相含量的1～12wt％。
优选地，s2中，球磨时间为1～20h。
优选地，s2中，搅拌方式为机械搅拌，搅拌时间为1～3h。
优选地，s3中，预处理陶瓷-纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水的重量比为3～25：25～65：0.01～0.2：3～60。
优选地，s3中，单体为丙烯酰胺和/或丙烯酸，热分解自由基引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或两种以上组合物。
优选地，s3中，搅拌方式为机械搅拌，搅拌时间为1～3h。
优选地，s4中，干燥温度为40～85℃。
优选地，s5中，接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体、交联剂、消泡剂、分散剂、去离子水的重量比为50～68：1.87～3.87：0.20～1：0.25～1：0.1～1：20～40。
优选地，s5中，单体为丙烯酰胺和/或丙烯酸，交联剂为亚甲基双丙烯酰胺，消泡剂为聚醚消泡剂，分散剂为四甲基氢氧化铵，热分解自由基引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或两种以上组合物。
优选地，s5中，第二混合物料与热分解自由基引发剂的重量比为100：0.05～0.1。
优选地，s5中，搅拌方式为机械搅拌，搅拌时间为0.5～4h。
优选地，s5中，抽真空脱气时间为3～40min。
优选地，s6中，干燥温度为30～90℃，干燥湿度为40～100％，干燥时间为20～48h。
优选地，s6中，真空脱胶的具体操作如下：以1～9℃/min的升温速率升温至400～600℃，保温2～8h。
优选地，s6中，烧结的具体操作如下：以1～9℃/min的升温速率升温至1700～2200℃，保温2～8h。
本发明还提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮，由上述纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法制得。
本发明通过采用接枝聚合的表面处理方法，对短切碳纤维和碳化硅颗粒进行表面改性，使带有极性基团的有机物直接键合在粉体颗粒表面，接枝率在40～60％之间，从而在粉体表面形成了一层有机包覆层，提高了粉体在凝胶体系中的分散性，满足陶瓷叶轮对分散性的苛刻要求；通过凝胶注模工艺成型复杂形状的、大尺寸陶瓷叶轮，保证了尺寸的精准性；而采用控温、控湿干燥工艺，严格控制生坯干燥过程中的温度和湿度，有效抑制了干燥不均匀造成的裂纹、变形等缺陷的形成。本发明采用短切碳纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮，增强了陶瓷叶轮的强度和韧性，满足陶瓷叶轮在特殊工况下得使用要求。
附图说明
图1为本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法示意图。
参照图1，本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、烧结助剂、偶联剂、无水乙醇混合后，球磨得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇搅拌均匀，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，接着球磨，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水混合后进行搅拌，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体、交联剂、消泡剂、分散剂、去离子水混合后进行搅拌，接着抽真空脱气得到第二混合物料，然后加入热分解自由基引发剂混合均匀，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，接着进行真空脱胶，再进行烧结，冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、烧结助剂、偶联剂、无水乙醇混合，碳化硅粉体、偶联剂、无水乙醇的重量比为2：2：5，烧结助剂与碳化硅粉体的重量比为3：100，接着球磨15h得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇混合后进行机械搅拌1.5h，短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇的重量比为2：2：5，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，短切碳纤维占第一混合物料固相含量的12wt％，接着球磨15h，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水混合后进行机械搅拌1～3h，预处理陶瓷-纤维复合粉体和单体、热分解自由基引发剂、去离子水的重量比为20：50：0.1：29.9，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后75℃干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体、交联剂、消泡剂、分散剂、去离子水混合后进行机械搅拌3h，接枝改性后的复合陶瓷粉体、单体、交联剂、消泡剂、分散剂、去离子水的重量比为60：2.05：0.3：0.29：0.36：37，接着抽真空脱气得到第二混合物料，抽真空脱气时间为25min，然后加入热分解自由基引发剂混合均匀，第二混合物料与热分解自由基引发剂的重量比为100：0.09，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，干燥温度为50℃，干燥湿度为80％，干燥时间为48h；接着进行真空脱胶，真空脱胶的具体操作如下：以1℃/min的升温速率升温至400℃，保温4h；再进行烧结，烧结的具体操作如下：以1℃/min的升温速率升温至1700℃，保温4h；冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
实施例2
本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、硼粉、偶联剂、无水乙醇混合，碳化硅粉体、偶联剂、无水乙醇的重量比为0.5：0.5：3，硼粉与碳化硅粉体的重量比为0.2：100，接着球磨3h得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇混合后进行机械搅拌1h，短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇的重量比为0.5：0.5：3，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，短切碳纤维占第一混合物料固相含量的3wt％，接着球磨3h，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酰胺、过硫酸钠、去离子水混合后进行机械搅拌1h，预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酰胺、过硫酸钠、去离子水的重量比为10：40：0.01：49.99，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后55℃干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水混合后进行机械搅拌2h，接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水的重量比为68：1.87：0.2：0.25：0.1：29.58，接着抽真空脱气得到第二混合物料，抽真空脱气时间为15min，然后加入过硫酸钠混合均匀，第二混合物料与过硫酸钠的重量比为100：0.05，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，干燥温度为60℃，干燥湿度为90％，干燥时间为48h；接着进行真空脱胶，真空脱胶的具体操作如下：以3℃/min的升温速率升温至550℃，保温6h；再进行烧结，烧结的具体操作如下：以3℃/min的升温速率升温至2100℃，保温6h；冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
经检测，本实施例所得纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的体积密度为3.11g/cm3，硬度为92.01hra，抗弯强度为510mpa，断裂韧性为7.03mpa·m1/2。
实施例3
本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、硼粉、偶联剂、无水乙醇混合，碳化硅粉体、偶联剂、无水乙醇的重量比为3：3：8，硼粉与碳化硅粉体的重量比为0.4：100，接着球磨10h得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇混合后进行机械搅拌2h，短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇的重量比为3：3：8，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，短切碳纤维占第一混合物料固相含量的6wt％，接着球磨9h，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酰胺、过硫酸铵、去离子水混合后进行机械搅拌2h，预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酰胺、过硫酸铵、去离子水的重量比为15：45：0.02：39.98，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后65℃干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水混合后进行机械搅拌3h，接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水的重量比为65：2.25：0.2：0.27：0.1：32.18，接着抽真空脱气得到第二混合物料，抽真空脱气时间为30min，然后加入过硫酸铵混合均匀，第二混合物料与过硫酸铵的重量比为100：0.08，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，干燥温度为40℃，干燥湿度为95％，干燥时间为24h；接着进行真空脱胶，真空脱胶的具体操作如下：以6℃/min的升温速率升温至500℃，保温5h；再进行烧结，烧结的具体操作如下：以6℃/min的升温速率升温至2000℃，保温5h；冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
经检测，本实施例所得纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的体积密度为3.17g/cm3，硬度为93.32hra，抗弯强度为530mpa，断裂韧性为7.57mpa·m1/2。
实施例4
本发明提出的一种纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的凝胶注模成型制备方法，包含如下步骤：
s1、将碳化硅粉体、碳化硼粉体、偶联剂、无水乙醇混合，碳化硅粉体、偶联剂、无水乙醇的重量比为1：1：6，碳化硼粉体与碳化硅粉体的重量比为1：100，接着球磨20h得到碳化硅陶瓷浆料；
s2、将短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇混合后进行机械搅拌3h，短切碳纤维、偶联剂、无水乙醇的重量比为1：1：6，加入碳化硅陶瓷浆料中得到第一混合物料，短切碳纤维占第一混合物料固相含量的9wt％，接着球磨18h，然后喷雾干燥得到预处理陶瓷-纤维复合粉体；
s3、将预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酸、过硫酸钾、去离子水混合后进行机械搅拌3h，预处理陶瓷-纤维复合粉体和丙烯酸、过硫酸钾、去离子水的重量比为5：35：0.03：59.97，接着引入热源，点燃聚合反应，待聚合反应结束后，取出聚合体；
s4、将聚合体溶于水中，洗涤，除去均聚物，然后80℃干燥得到接枝改性后的复合陶瓷粉体；
s5、将接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酸、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水混合后进行机械搅拌4h，接枝改性后的复合陶瓷粉体、丙烯酸、亚甲基双丙烯酰胺、聚醚消泡剂、四甲基氢氧化铵、去离子水的重量比为63：1.87：0.21：0.24：0.1：34.58，接着抽真空脱气得到第二混合物料，抽真空脱气时间为10min，然后加入过硫酸铵混合均匀，第二混合物料与过硫酸铵的重量比为100：0.1，再注入模具中固化，脱膜得到短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯；
s6、将短切碳纤维增韧陶瓷叶轮生坯进行干燥，干燥温度为70℃，干燥湿度为80％，干燥时间为40h；接着进行真空脱胶，真空脱胶的具体操作如下：以9℃/min的升温速率升温至600℃，保温7h；再进行烧结，烧结的具体操作如下：以9℃/min的升温速率升温至2200℃，保温7h；冷却得到纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮。
经检测，本实施例所得纤维增韧碳化硅陶瓷叶轮的体积密度为3.13g/cm3，硬度为92.82hra，抗弯强度为550mpa，断裂韧性为8.07mpa·m1/2。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。