一种纤维增强氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种氮化硅陶瓷材料，特别是涉及一种纤维增强氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.切削加工是机械制造业中占主导地位的加工方法，刀具材料的发展对切削加工的进步起决定性作用。当前使用的刀具材料主要分为四大类：工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷、超硬质刀具材料。其中，陶瓷刀具具有高硬度、耐磨性、耐热性、化学稳定性等优点，适用于高速精细加工硬材料，上世纪80年代以来已取得突破性进展，陶瓷刀具材料成为目前最主要的刀具材料之一。氮化硅陶瓷由于具有高抗热震性、高耐磨性、化学稳定性等一系列优良性能，所以被广泛应用于切削刀具，但氮化硅存在陶瓷脆性的特点，其抗弯强度和断裂韧性通常不太理想。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，其具有较好的抗弯强度和断裂韧性。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
5.一种纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维7～10％，碳化硅2～4％，石墨粉1～2％，其余为氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。
6.进一步地，本发明所述二氧化钛复合纤维由以下步骤制成：
7.a1.边搅拌边将钛酸四丁酯滴加到无水乙醇中，滴毕后继续搅拌20小时得到混合凝胶一，将混合凝胶一加入氢氧化钠溶液中，超声搅拌40分钟后转入高压反应釜中，升温至210℃后保温2小时得到混合凝胶二，将混合凝胶二抽滤后用去离子水、无水乙醇分别洗涤3次，90℃下干燥4小时后500℃下煅烧2小时得到二氧化钛纤维；
8.a2.将草酸铌、步骤a1所得二氧化碳纤维加入去离子水中，加热至100℃后超声搅拌4小时得到混合液，将混合液90℃下干燥4小时后500℃下煅烧3小时得到二氧化钛复合纤维。
9.进一步地，本发明所述步骤a1中，氢氧化钠溶液的浓度为5mol/l，钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氧化钠溶液的比例为1g:40ml:25ml；步骤a2中，草酸铌、步骤a1所得二氧化碳纤去离子水的比例为0.08g:1g:300ml。
10.进一步地，本发明所述氮化硅为α-氮化硅。
11.本发明要解决的另一技术问题提供上述纤维增强氮化硅陶瓷复合材料的制备方法。
12.为解决上述技术问题，技术方案是：
13.一种纤维增强氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
14.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入有机溶剂、磨球，球磨8～12小时后得到混合料浆；
15.b2.将步骤b1所得混合料浆真空干燥3～5小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
16.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯；
17.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，加压烧结7～9小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
18.进一步地，本发明所述步骤b1中，有机溶剂为乙醇，磨球为氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4。
19.进一步地，本发明所述步骤b2中，真空干燥的温度为90～100℃。
20.进一步地，本发明所述步骤b3中，等静压压制的压力为200～240mpa。
21.进一步地，本发明所述步骤b4中，加压烧结时的温度为1700～1750℃，压力为4～6mpa。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明以钛酸四丁酯为前驱物通过溶胶凝胶法制成二氧化钛纤维，然后以草酸铌对该二氧化钛纤维进行了铌掺杂制得二氧化钛复合纤维，其能起到烧结助剂的作用，在烧结过程中能提高氮化硅陶瓷的致密化程度，进而改善氮化硅陶瓷复合材料的致密度，提高氮化硅陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性，使得本发明制得的纤维增强氮化硅陶瓷复合材料能应用于力学性能要求较高的各种工业刀具。
具体实施方式
24.下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
25.实施例1
26.纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维9％，碳化硅3％，石墨粉1.5％，其余为α-氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。
27.二氧化钛复合纤维由以下步骤制成：
28.a1.边搅拌边将钛酸四丁酯滴加到无水乙醇中，滴毕后继续搅拌20小时得到混合凝胶一，将混合凝胶一加入浓度为5mol/l的氢氧化钠溶液中，钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氧化钠溶液的比例为1g:40ml:25ml，超声搅拌40分钟后转入高压反应釜中，升温至210℃后保温2小时得到混合凝胶二，将混合凝胶二抽滤后用去离子水、无水乙醇分别洗涤3次，90℃下干燥4小时后500℃下煅烧2小时得到二氧化钛纤维；
29.a2.按照0.08g:1g:300ml的比例将草酸铌、步骤a1所得二氧化碳纤维加入去离子水中，加热至100℃后超声搅拌4小时得到混合液，将混合液90℃下干燥4小时后500℃下煅烧3小时得到二氧化钛复合纤维。
30.实施例1的制备方法包括以下步骤：
31.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入乙醇、氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4，球磨10小时后得到混合料浆；
32.b2.将步骤b1所得混合料浆95℃下真空干燥4小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
33.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯，等静压压制的压力为220mpa；
34.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，温度为1750℃、压力为5mpa条件下加压烧结8小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
35.实施例2
36.纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维8％，碳化硅4％，石墨粉1.8％，其余为α-氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。二氧化钛复合纤维的制备步骤与实施例1相同。
37.实施例2的制备方法包括以下步骤：
38.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入乙醇、氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4，球磨9小时后得到混合料浆；
39.b2.将步骤b1所得混合料浆90℃下真空干燥5小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
40.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯，等静压压制的压力为200mpa；
41.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，温度为1700℃、压力为4mpa条件下加压烧结7小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
42.实施例3
43.纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维10％，碳化硅2％，石墨粉1.2％，其余为α-氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。二氧化钛复合纤维的制备步骤与实施例1相同。
44.实施例3的制备方法包括以下步骤：
45.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入乙醇、氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4，球磨12小时后得到混合料浆；
46.b2.将步骤b1所得混合料浆100℃下真空干燥3小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
47.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯，等静压压制的压力为210mpa；
48.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，温度为1750℃、压力为6mpa条件下加压烧结9小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
49.实施例4
50.纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维7％，碳化硅2.5％，石墨粉1％，其余为α-氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。二氧化钛复合纤维的制备步骤与实施例1相同。
51.实施例4的制备方法包括以下步骤：
52.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入乙醇、氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4，球磨11小时后得到混合料浆；
53.b2.将步骤b1所得混合料浆95℃下真空干燥4.5小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
54.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯，等静压压制的压力为240mpa；
55.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，温度为1700℃、压力为4mpa条件下加压烧结7.5小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
56.实施例5
57.纤维增强氮化硅陶瓷复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成：二氧化钛复合纤维8.5％，碳化硅3.5％，石墨粉2％，其余为α-氮化硅，各原料的重量百分比之和为100％。二氧化钛复合纤维的制备步骤与实施例1相同。
58.实施例5的制备方法包括以下步骤：
59.b1.按重量百分比称取各原料，将二氧化钛复合纤维、碳化硅、石墨粉、氮化硅混合得到混合粉末，将混合粉末加入行星式球磨机中，然后加入乙醇、氧化铝球，混合粉末、乙醇、氧化铝球的质量比为1:1.5:4，球磨8小时后得到混合料浆；
60.b2.将步骤b1所得混合料浆100℃下真空干燥3.5小时，然后过100目筛网得到混合粉料；
61.b3.将步骤b2所得混合粉料通过等静压压制得到毛坯，等静压压制的压力为230mpa；
62.b4.通氮气保护下将步骤b3所得毛坯置于烧结炉中，温度为1750℃、压力为5mpa条件下加压烧结8.5小时得到纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。
63.对比例1：
64.与实施例1的不同之处在于：原料中不包括二氧化钛复合纤维，省去二氧化钛复合纤维的制备步骤。
65.对比例2：
66.与实施例1的不同之处在于：原料中的二氧化钛复合纤维替换为未掺杂铌的二氧化钛纤维，其由以下步骤制成：
67.边搅拌边将钛酸四丁酯滴加到无水乙醇中，滴毕后继续搅拌20小时得到混合凝胶一，将混合凝胶一加入浓度为5mol/l的氢氧化钠溶液中，钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氧化钠溶液的比例为1g:40ml:25ml，超声搅拌40分钟后转入高压反应釜中，升温至210℃后保温2小时得到混合凝胶二，将混合凝胶二抽滤后用去离子水、无水乙醇分别洗涤3次，90℃下干燥4小时后500℃下煅烧2小时得到二氧化钛纤维。
68.实验例1：致密度测试
69.通常陶瓷材料表面会有连通的气孔，所以可采用水煮法根据阿基米德原理计算测定实施例1～5、对比例1～2制得的氮化硅陶瓷复合材料的致密度。计算公式为：致密度＝d1/(d2-d3)；其中，d1为干燥样品在空气中的质量，g；d2为水煮后样品在空气中的质量，g；d3为样品放入水中的质量，g。
70.测试结果如表1所示：
[0071][0072][0073]
表1
[0074]
由表1可以看出，本发明实施例1～5制得的氮化硅陶瓷复合材料的致密度均较高。对比例1～2的部分原料与实施例1不同，与实施例1相比，对比例1的致密度降低不少，表明本发明使用的二氧化钛复合纤维能有效提高氮化硅陶瓷复合材料的致密度；对比例2的致密度的降幅小于对比例1，表明相比未掺杂铌的二氧化钛纤维，本发明制备的二氧化钛复合纤维对氮化硅陶瓷复合材料的致密度的提高效果更好。
[0075]
实验例2：断裂韧性测试
[0076]
参照gb/t 23806-2009标准分别测定实施例1～5、对比例1～2制得的氮化硅陶瓷复合材料的断裂韧性，测试结果如表2所示：
[0077] 断裂韧性(mpa
·m1/2
)实施例17.66实施例27.48实施例37.54实施例47.37实施例57.43对比例16.06对比例26.92
[0078]
表2
[0079]
由表2可以看出，本发明实施例1～5制得的氮化硅陶瓷复合材料的断裂韧性均较好。对比例1～2的部分原料与实施例1不同，与实施例1相比，对比例1的断裂韧性降低不少，表明本发明使用的二氧化钛复合纤维能有效提高氮化硅陶瓷复合材料的断裂韧性；对比例2的断裂韧性的降幅小于对比例1，表明相比未掺杂铌的二氧化钛纤维，本发明制备的二氧化钛复合纤维对氮化硅陶瓷复合材料的断裂韧性的提高效果更好。
[0080]
实验例3：抗弯强度测试
[0081]
参照gb/t 6569-2006标准分别测定实施例1～5、对比例1～2制得的氮化硅陶瓷复
合材料的抗弯强度，测试结果如表3所示：
[0082] 抗弯强度(mpa)实施例1875实施例2854实施例3868实施例4847实施例5859对比例1733对比例2872
[0083]
表3
[0084]
由表3可以看出，本发明实施例1～5制得的氮化硅陶瓷复合材料的抗弯强度均较好。对比例1～2的部分原料与实施例1不同，与实施例1相比，对比例1的抗弯强度降低很多，表明本发明使用的二氧化钛复合纤维能有效提高氮化硅陶瓷复合材料的断裂韧性。
[0085]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。