CN106591745A - 一种抗压耐热的陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗压耐热的陶瓷复合材料及其制备方法，其以三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维为主要成分，通过加入方解石、云母粉、氧化锆陶瓷微珠、柠檬酸钠、三亚乙基四胺、磷酸三甲酚酯、聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂、烷基聚葡糖苷、交联剂、增塑剂、去离子水，辅以球磨、干燥、搅拌、超声分散、高速混料、喷雾造粒、压制成型、高温烧结等工艺，使得制备而成的陶瓷复合材料抗压能力强、耐热不易变形，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。

Description

一种抗压耐热的陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种抗压耐热的陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。

通常陶瓷材料所具有的特性有：（1）力学特性：陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。（2）热特性：陶瓷材料一般具有高的熔点，大多在2000℃以上，且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。（3）电特性：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压的绝缘器件。铁电陶瓷具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能，可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。（4）化学特性陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。（5）光学特性：陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。

新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作为生物结构材料等。但也有它的缺点，如脆性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。常见的新型陶瓷主要有：（1）氧化铝陶瓷：具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍，高者可达5~6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。（2）氮化硅陶瓷：是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。（3）碳化硅陶瓷：是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。而按照功能来分类的话，新型陶瓷可还分为介电陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷等。

随着科学技术的发展，市场对陶瓷材料的性能提出了越来越高的要求，如何开发出更多的高性能、造价低的新型陶瓷以满足人们对于某些特定功能的需求，从而提高陶瓷材料的应用水平，是目前高新材料行业内急需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种抗压耐热的陶瓷复合材料，通过采用特定的原料进行组合，配合特定的生产工艺，使得制备而成的陶瓷复合材料抗压能力强、耐热不易变形，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种抗压耐热的陶瓷复合材料，由下列重量份的原料制成：三氧化二铝20-30份、镍粉16-18份、碳化硼12-15份、玻璃纤维10-14份、方解石8-12份、云母粉8-10份、氧化锆陶瓷微珠6-8份、柠檬酸钠10-20份、三亚乙基四胺12-18份、磷酸三甲酚酯8-12份、聚乙二醇6-10份、二酚基丙烷型环氧树脂4-6份、烷基聚葡糖苷2-4份、交联剂3-5份、增塑剂3-5份、去离子水150份。

优选地，所述交联剂选自过硫酸铵、甲叉双丙烯酰胺、丙烯基丙烯酸甲酯中的任意一种。

优选地，所述增塑剂选自环氧硬脂酸辛酯、环氧化甘油三酸酯、邻苯二甲酸二丁酯中的任意一种。

所述的抗压耐热的陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照所述重量份准确称取各原料；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1-2小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过100-150目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2-3倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在600-800W的功率下超声分散25-30分钟，在160-180℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入交联剂、增塑剂，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在120-150 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在900-1000℃下预烧1.5小时，再在1650-1700℃下煅烧3-4小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

优选地，所述步骤（3）中超声分散的具体条件为：超声功率700W，超声时间30分钟。

优选地，所述步骤（4）中经喷雾造粒机制成的颗粒状物料的直径为150微米。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明的抗压耐热的陶瓷复合材料以三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维为主要成分，通过加入方解石、云母粉、氧化锆陶瓷微珠、柠檬酸钠、三亚乙基四胺、磷酸三甲酚酯、聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂、烷基聚葡糖苷、交联剂、增塑剂、去离子水，辅以球磨、干燥、搅拌、超声分散、高速混料、喷雾造粒、压制成型、高温烧结等工艺，使得制备而成的陶瓷复合材料抗压能力强、耐热不易变形，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。

（2）本发明的抗压耐热的陶瓷复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业化运用，实用性强。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝20份、镍粉16份、碳化硼12份、玻璃纤维10份、方解石8份、云母粉8份、氧化锆陶瓷微珠6份、柠檬酸钠10份、三亚乙基四胺12份、磷酸三甲酚酯8份、聚乙二醇6份、二酚基丙烷型环氧树脂4份、烷基聚葡糖苷2份、过硫酸铵3份、环氧硬脂酸辛酯3份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过100目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在160℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入过硫酸铵、环氧硬脂酸辛酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在120 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在900℃下预烧1.5小时，再在1650℃下煅烧3小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

实施例2

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝25份、镍粉17份、碳化硼13份、玻璃纤维12份、方解石10份、云母粉9份、氧化锆陶瓷微珠7份、柠檬酸钠15份、三亚乙基四胺15份、磷酸三甲酚酯10份、聚乙二醇8份、二酚基丙烷型环氧树脂5份、烷基聚葡糖苷3份、甲叉双丙烯酰胺4份、环氧化甘油三酸酯4份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1.5小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过120目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2.5倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在170℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入甲叉双丙烯酰胺、环氧化甘油三酸酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在135 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在950℃下预烧1.5小时，再在1680℃下煅烧3.5小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

实施例3

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝30份、镍粉18份、碳化硼15份、玻璃纤维14份、方解石12份、云母粉10份、氧化锆陶瓷微珠8份、柠檬酸钠20份、三亚乙基四胺18份、磷酸三甲酚酯12份、聚乙二醇10份、二酚基丙烷型环氧树脂6份、烷基聚葡糖苷4份、丙烯基丙烯酸甲酯5份、邻苯二甲酸二丁酯5份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨2小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过150目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的3倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在180℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入丙烯基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在150 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在1000℃下预烧1.5小时，再在1700℃下煅烧4小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

实施例4

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝30份、镍粉16份、碳化硼15份、玻璃纤维10份、方解石12份、云母粉8份、氧化锆陶瓷微珠8份、柠檬酸钠10份、三亚乙基四胺18份、磷酸三甲酚酯8份、聚乙二醇10份、二酚基丙烷型环氧树脂4份、烷基聚葡糖苷4份、过硫酸铵3份、邻苯二甲酸二丁酯5份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过150目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在180℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入过硫酸铵、邻苯二甲酸二丁酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在120MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在1000℃下预烧1.5小时，再在1650℃下煅烧4小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

对比例1

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝25份、镍粉17份、碳化硼13份、玻璃纤维12份、方解石10份、云母粉9份、氧化锆陶瓷微珠7份、柠檬酸钠15份、磷酸三甲酚酯10份、聚乙二醇8份、二酚基丙烷型环氧树脂5份、烷基聚葡糖苷3份、甲叉双丙烯酰胺4份、环氧化甘油三酸酯4份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1.5小时后加入柠檬酸钠，搅拌均匀后过120目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2.5倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在170℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入甲叉双丙烯酰胺、环氧化甘油三酸酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在135 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在950℃下预烧1.5小时，再在1680℃下煅烧3.5小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

对比例2

（1）按所述重量份准确称取三氧化二铝30份、镍粉16份、碳化硼15份、玻璃纤维10份、方解石12份、云母粉8份、氧化锆陶瓷微珠8份、柠檬酸钠10份、三亚乙基四胺18份、磷酸三甲酚酯8份、聚乙二醇10份、过硫酸铵3份、邻苯二甲酸二丁酯5份、去离子水150份；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过150目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯混合，取混合材料的2倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇，搅拌均匀，在700W的功率下超声分散30分钟，在180℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入过硫酸铵、邻苯二甲酸二丁酯，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成直径为150微米的颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在120MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在1000℃下预烧1.5小时，再在1650℃下煅烧4小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

制得的抗压耐热的陶瓷复合材料的性能测试结果如表1所示。

将实施例1-4和对比例1-2的抗压耐热的陶瓷复合材料分别进行这抗压强度、耐高温性、热膨胀系数几项性能测试。

表1

	抗压强度（GPa）	耐高温性（1800℃，24h）	热膨胀系数（10-5/K）
				实施例1	2.52	无变形	2.2
实施例2	2.65	无变形	1.8
				实施例3	2.63	无变形	2.0
实施例4	2.56	无变形	2.1
				对比例1	2.31	轻微变形	10.4
对比例2	2.27	轻微变形	10.9

本发明的抗压耐热的陶瓷复合材料以三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维为主要成分，通过加入方解石、云母粉、氧化锆陶瓷微珠、柠檬酸钠、三亚乙基四胺、磷酸三甲酚酯、聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂、烷基聚葡糖苷、交联剂、增塑剂、去离子水，辅以球磨、干燥、搅拌、超声分散、高速混料、喷雾造粒、压制成型、高温烧结等工艺，使得制备而成的陶瓷复合材料抗压能力强、耐热不易变形，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。本发明的陶瓷复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业化运用，实用性强。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种抗压耐热的陶瓷复合材料，其特征在于：由下列重量份的原料制成：三氧化二铝20-30份、镍粉16-18份、碳化硼12-15份、玻璃纤维10-14份、方解石8-12份、云母粉8-10份、氧化锆陶瓷微珠6-8份、柠檬酸钠10-20份、三亚乙基四胺12-18份、磷酸三甲酚酯8-12份、聚乙二醇6-10份、二酚基丙烷型环氧树脂4-6份、烷基聚葡糖苷2-4份、交联剂3-5份、增塑剂3-5份、去离子水150份。

2.根据权利要求1所述的抗压耐热的陶瓷复合材料，其特征在于：所述交联剂选自过硫酸铵、甲叉双丙烯酰胺、丙烯基丙烯酸甲酯中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的抗压耐热的陶瓷复合材料，其特征在于：所述增塑剂选自环氧硬脂酸辛酯、环氧化甘油三酸酯、邻苯二甲酸二丁酯中的任意一种。

4.根据权利要求1-3任一所述的抗压耐热的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按照所述重量份准确称取各原料；

（2）将三氧化二铝、镍粉、碳化硼、玻璃纤维、方解石、云母粉和去离子水加到球磨罐中，球料比5:1，球磨1-2小时后加入柠檬酸钠、三亚乙基四胺，搅拌均匀后过100-150目筛，干燥，得到混合物A；

（3）将氧化锆陶瓷微珠、磷酸三甲酚酯、烷基聚葡糖苷混合，取混合材料的2-3倍重量份的无水乙醇，再加入聚乙二醇、二酚基丙烷型环氧树脂，搅拌均匀，在600-800W的功率下超声分散25-30分钟，在160-180℃下烘干，过120目筛，得到混合物B；

（4）将混合物A和混合物B通过高速混料机充分混合均匀，注入高压反应釜中，加入交联剂、增塑剂，在温度180℃，压强20MPa下反应18小时，再将反应后的混合物转移到喷雾造粒机中制成颗粒状物料；

（5）将步骤（4）得到的颗粒状物料送入模具中，在120-150 MPa压力下干压成型得素胚，再将素胚放入真空高温烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，烧结条件为：先在900-1000℃下预烧1.5小时，再在1650-1700℃下煅烧3-4小时，随后将烧结物置于氮气气氛中自然冷却，得到成品。

5.根据权利要求4所述的抗压耐热的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中超声分散的具体条件为：超声功率700W，超声时间30分钟。

6.根据权利要求4所述的抗压耐热的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中经喷雾造粒机制成的颗粒状物料的直径为150微米。