本技术涉及陶瓷材料，尤其是涉及一种凝胶注无压烧结碳化硅陶瓷水刀砂管的制备方法。
背景技术：
1、水刀是使用高压水进行射流切割的技术，在工作过程中，将高压的工作液体经由砂管和喷嘴作用于被切割材料，实现材料的切割。水刀的压强通常可达到200~400mpa，而且为了提高水刀的切割速度和深度还常在高压水中加入金刚砂等作为切割辅料。因此，砂管在水刀工作过程中会受到被加速的磨料带来的严重磨损，而砂管作为形成磨料射流的关键部件，其硬度和耐磨性能直接会影响到水刀的切割效果和使用寿命。
2、目前，市场上的水刀砂管一般采用复合碳化钨材料加工制作而成。碳化硅陶瓷材料具有优良的耐腐蚀性能和高抗磨损性能，相较于碳化钨材料具有更低的摩擦系数和更好的高温力学性能，且碳化硅陶瓷材料价格低廉，适合用于制备水刀砂管。
3、然而，目前市场中几乎未见碳化硅陶瓷水刀砂管，极少部分也基本是首先通过压制成型的方法制备出水刀砂管的外部形状，后续再通过机械加工的方法对坯体进行进一步加工，该方法的成品率低，存在后续机械加工困难、经济效益底下、能源浪费等诸多缺陷，故有待改善。
技术实现思路
1、为了提升水刀砂管的成品率，本技术提供一种凝胶注无压烧结碳化硅陶瓷水刀砂管的制备方法。
2、本技术提供的一种凝胶注无压烧结碳化硅陶瓷水刀砂管的制备方法采用如下的技术方案：
3、一种凝胶注无压烧结碳化硅陶瓷水刀砂管的制备方法，包括以下制备步骤：
4、s1、设计和制造凝胶注模成型所需的外模、内模和底模；
5、s2、将单体和交联剂分散至去离子水中，得到混合溶液，向混合溶液中加入分散剂、消泡剂、改性碳化硅粉体、助烧剂和四甲基氢氧化铵得到预混液，将预混液球混后进行脱泡处理，向脱泡后的预混液中加入催化剂和引发剂，得到碳化硅陶瓷浆料；
6、s3、将碳化硅陶瓷浆料浇筑进外模中，再将内模插入外模中，使内模中的顶杆与底模相互配合，待坯体固化后，取出内模，将外模与坯体放入聚乙二醇中进行干燥脱模，得到初步干燥的坯体，随后对初步干燥的坯体加热从而进一步干燥，得到干燥后的坯体；
7、s4、将干燥后的坯体放入烧结炉中按照烧结制度进行烧结处理，得到碳化硅陶瓷水刀砂管。
8、采用凝胶注无压烧结制备碳化硅陶瓷水刀砂管，可对其一次成型、无需后续加工，制备出综合性能优良的碳化硅陶瓷水刀砂管；通过单体、交联剂、分散剂、消泡剂、改性碳化硅粉体、助烧剂、四甲基氢氧化铵、催化剂和引发剂制备得到的碳化硅陶瓷浆料具有高固含量，具有良好的致密性和均匀性；将坯体放入聚乙二醇中，在浸泡过程中依靠聚乙二醇的强吸水能力将坯体中的水分子吸收出来，使坯体在液体中安全快速干燥，坯体在液体干燥过程中自动收缩，使得坯体与模具之间出现收缩缝，利于坯体的脱模；通过加热使得坯体进一步干燥，可以减少烧结过程中陶瓷坯体的开裂和变形，两步干燥步骤协同作用，有助于减少坯体的变形和开裂，提升坯体的致密度和均匀性，得到高硬度和耐磨性良好的碳化硅陶瓷水刀砂管。
9、优选的，所述单体包括二甲基丙烯酰胺，所述交联剂为n，n-亚甲基双丙烯酰胺，所述单体和交联剂的质量比为（10-15）：1。
10、优选的，所述催化剂包括四甲基乙二胺，所述引发剂包括过硫酸铵。
11、采用二甲基丙烯酰胺作为单体，二甲基丙烯酰胺具有良好的水溶性、低毒性、反应活性和稳定性，n，n-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，四甲基乙二胺作为催化剂，过硫酸铵为引发剂，进行交联固化，可以得到稳定的交联网状结构，将改性碳化硅粉体固化在网状结构中，可提升改性碳化硅粉体的分散性和稳定性；按照上述质量比制备的碳化硅陶瓷浆料具有良好的均匀度和高固含量。
12、优选的，所述s3步骤中对初步干燥的坯体加热采用真空加热方式，所述真空加热采用如下升温曲线进行：以0.3-0.7℃/h的速度升温至35℃，以0.8-1.2℃/min的速度升温至55℃，以1.5-2.5℃/h的速度升温至75℃，以4-6℃/h的速度升温至100℃。
13、采用分段升温的真空加热干燥，可以使得陶瓷坯体内部的水分均匀蒸发，减少表面和内部的应力差异，提升坯体的致密度和均匀性，减少烧结过程中的开裂和变形，进而提升碳化硅陶瓷水刀砂管的硬度和耐磨性能。
14、优选的，所述s4步骤的烧结制度采用如下步骤进行：以8-12℃/min的速率升温至2200-2250℃，保温5-10min，随后以20-30℃/min的速度降温至2100-2150℃，保温6-8h。
15、按照上述烧结制度得到的水刀砂管具有高硬度和良好的耐磨性能，通过在低温下进行烧结，可以避免碳化硅陶瓷的颗粒边界扩散，抑制晶粒生长，细化碳化硅陶瓷的微观结构，提升碳化硅陶瓷的相对密度，从而提升水刀砂管的硬度和耐磨性能。
16、优选的，所述助烧剂包括碳材料和碳化硼。
17、碳材料具有高表面积和孔隙度，可以提高碳化硅陶瓷的密度和硬度；碳化硼可大幅提高碳化硅陶瓷的硬度，使其更加耐磨、耐腐蚀；通过添加炭黑和碳化硼作为烧结助剂，二者可以协同提升碳化硅陶瓷的密度、硬度和耐磨性能，提升碳化硅陶瓷水刀砂管的品质和使用寿命。
18、优选的，所述碳材料包括羟基化多壁碳纳米管和炭黑。
19、羟基化多壁碳纳米管材料具有良好的相容性和分散性，可以均匀分散在陶瓷浆料中；羟基化多壁碳纳米管还可以增强陶瓷多晶基体，对碳化硅陶瓷水刀纱管起到增韧补强的作用，通过纳米管壁间的层间滑移作用，提升碳化硅陶瓷水刀砂管的耐磨性能；羟基化多壁碳纳米管可以在烧结过程中减少颗粒的边界扩散，抑制晶粒生长，细化碳化硅陶瓷的微观结构，和烧结制度相互辅助，进一步提升碳化硅陶瓷的致密度。
20、优选的，所述碳化硼、羟基化多壁碳纳米管和炭黑的质量比为1：（0.33-1）：1。
21、按照上述质量比制备的碳化硅陶瓷水刀砂管具有高硬度和良好的耐磨性能。
22、优选的，所述改性碳化硅粉体的制备原料包括碳化硅、碳化钛、碳化铌和碳化锆。
23、采用碳化钛、碳化铌和碳化锆改性碳化硅粉体，通过阳离子和阴离子的无序结构提升构型熵，促进单相固溶体结构的形成，进而提升碳化硅陶瓷水刀砂管的硬度和耐磨性能；钛、铌和锆元素可以形成氧化物的第二弥散相，增韧碳化硅陶瓷，抑制晶粒的生长，与羟基化多壁碳纳米管协同作用，在烧结制度的辅助下进一步提升碳化硅陶瓷水刀砂管的硬度和耐磨性能。
24、优选的，所述改性碳化硅粉体采用如下步骤制备：
25、将碳化钛、碳化铌和碳化锆分别细化球磨，得到预处理后的碳化钛、碳化铌和碳化锆；将碳化硅与预处理后的碳化钛、碳化铌和碳化锆混合，加入无水乙醇，在氮气氛围下球磨后过筛，得到改性碳化硅粉体。
26、按照上述步骤制备的碳化硅陶瓷水刀砂管具有良好的硬度和耐磨性能，在氮气氛围下球磨可以促进碳氮化物的固溶体形成，提升改性碳化硅粉体的成分均匀性。
27、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
28、1、采用凝胶注无压烧结制备碳化硅陶瓷水刀砂管，可对其一次成型、无需后续加工，制备出综合性能优良的碳化硅陶瓷水刀砂管；将坯体放入聚乙二醇中，在浸泡过程中依靠聚乙二醇的强吸水能力将坯体中的水分子吸收出来，使坯体在液体中安全快速干燥，坯体在液体干燥过程中自动收缩，使得坯体与模具之间出现收缩缝，利于坯体的脱模；通过加热使得坯体进一步干燥，可以减少烧结过程中陶瓷坯体的开裂和变形，两步干燥步骤协同作用，有助于减少坯体的变形和开裂，提升坯体的致密度和均匀性，得到高硬度和耐磨性良好的碳化硅陶瓷水刀砂管。
29、2、采用分段升温的真空加热干燥，可以使得陶瓷坯体内部的水分均匀蒸发，减少表面和内部的应力差异，提升坯体的致密度和均匀性，减少烧结过程中的开裂和变形，进而提升碳化硅陶瓷水刀砂管的硬度和耐磨性能；通过在低温下进行烧结，可以避免碳化硅陶瓷的颗粒边界扩散，抑制晶粒生长，细化碳化硅陶瓷的微观结构，提升碳化硅陶瓷的相对密度，从而提升水刀砂管的硬度和耐磨性能。
30、3、羟基化多壁碳纳米管可以在烧结过程中减少颗粒的边界扩散，抑制晶粒生长，细化碳化硅陶瓷的微观结构；采用碳化钛、碳化铌和碳化锆改性碳化硅粉体，通过阳离子和阴离子的无序结构提升构型熵，促进单相固溶体结构的形成，与羟基化多壁碳纳米管协同作用，在烧结制度的辅助下进一步提升碳化硅陶瓷水刀砂管的硬度和耐磨性能。