CN111302810A - 一种低噪声氮化硅陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低噪声氮化硅陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用，所述Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，以Si3N4粉、BN粉、β‑Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体为主要原料，均匀混合后烧结制得，所述原料中，Si3N4粉质量分数为45～92%，BN粉质量分数为2～40%，β‑Si3N4晶须质量分数为2～10%，陶瓷纤维质量分数为2～20%，金属氧化物质量分数为2～15%，β‑Si3N4晶须与陶瓷纤维的质量比为1：（1～10）。

Description

一种低噪声氮化硅陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种低噪声Si3N4陶瓷基摩擦材料，具体说，是涉及一种包含Si3N4基体相、BN润滑相、以及β-Si3N4晶须和陶瓷纤维增强相的一种摩擦材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着飞机、列车、汽车等运载工具高速化的发展，其对摩擦部件的可靠性和稳定性要求越来越高，很多的摩擦材料都在不断的发展过程中被新型材料所替代。常用的摩擦材料包括有机材料、金属材料、陶瓷材料等，其中，陶瓷摩擦材料凭借其自身的优良耐高温、低磨损性质近年来受到了人们的广泛关注。然而，在使用过程中，陶瓷磨屑积聚在摩擦面时，容易形成磨料磨损，造成材料磨损速率的增加；另一方面，高硬度、高弹性模量的陶瓷材料在摩擦过程中容易产生异响，造成噪声污染，降低驾乘人员的舒适度。
摩擦部件的振动、高摩擦系数、高硬度摩擦面、磨屑颗粒的高频振动等都是摩擦噪声的重要来源。尤其是在一些干摩擦条件下，无润滑介质参与，摩擦力和摩擦振动剧烈，摩擦噪声更加严重。当前应用的陶瓷摩擦材料或采用硬质陶瓷制备，在保证低磨损的条件下，无法有效抑制噪声的产生；或采用软质无机润滑材料与金属复合形成陶瓷半金属摩擦材料，在降低摩擦、减少噪声的情况下，材料的磨损率较高，且材料力学性能较低，无法用于制备具有承载或传动作用的结构部件。
综上，研制具有高力学强度、低摩擦噪声的陶瓷摩擦材料尤为迫切。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种Si3N4陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用，该材料具有摩擦噪声小、力学性能高、耐磨性能优良、摩擦系数稳定的优点，可满足材料的高耐磨和长寿命使用，同时满足低噪声的应用需求。
第一方面，本申请提供一种Si3N4陶瓷基摩擦材料，其是以Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体为主要原料，均匀混合后烧结制得，所述原料中，Si3N4粉质量分数为45～92％，BN粉质量分数为2～40％，β-Si3N4晶须质量分数为2～10％，陶瓷纤维质量分数为2～20％，金属氧化物质量分数为2～15％，β-Si3N4晶须与陶瓷纤维的质量比为1：(1～10)。
上述Si3N4陶瓷基摩擦材料，主要成分有Si3N4基体、BN润滑相和β-Si3N4晶须增强相，同时含有一定量的金属氧化物，以及一定含量的陶瓷纤维，其中，BN一方面在摩擦过程中形成润滑膜，减少磨损，降低噪声产生，另一方面提高材料内部晶界密度，提高声阻，从而可以实现降低摩擦噪声的目的；同时，采用陶瓷纤维作为增强相，减少了由于BN引入导致的材料力学性能下降；辅以β-Si3N4晶须的引入，在微米尺度实现各向同性增强；由于陶瓷纤维和β-Si3N4晶须的共同作用，可以实现材料大尺度纤维增强和微尺度晶须增强的协同作用，比传统单一的纤维或晶须增强机制具有更优的力学性能和耐磨性。本发明对陶瓷纤维和β-Si3N4晶须含量进行了针对性设计，限定科学配比以充分发挥二者的协同强化效果，有效缓解BN相引入造成的材料力学性能降低。本材料选用Si3N4作为基体材料，其具有良好的自润滑性能，相比其他诸如Al2O3、ZrO2、SiC等陶瓷材料，Si3N4基体材料可有效降低材料在摩擦过程中的摩擦系数，减少摩擦噪音。本发明所制备的Si3N4陶瓷基摩擦材料具有摩擦噪声小、力学性能高、耐磨性能优良、摩擦系数稳定的优点，可应用于制造摩擦片、轴承、密封环等耐磨结构件。上述Si3N4陶瓷基摩擦材料的硬度可为1～12GPa，弹性模量可为45～287GPa，磨损量低，且噪声低。
较佳地，所述陶瓷纤维选自Si3N4、SiC、BN、Al3O4、SiO2纤维中的一种或几种的组合。
较佳地，所述金属氧化物粉体选自Al2O3、MgO、Y2O3、Sc2O3、Sm2O3、Lu2O3、Er2O3中的一种或几种的组合。
较佳地，Si3N4粉的平均粒径为0.2～10μm；BN粉的平均粒径为0.05～20μm；β-Si3N4晶须的平均直径为0.1～5μm，平均长度为0.3～20μm；陶瓷纤维的平均直径为0.1～100μm，平均长度为100μm-1cm；金属氧化物粉的平均粒径为0.1～20μm。
较佳地，所述烧结的方法为热压烧结、无压烧结或气压烧结。
第二方面，本申请提供上述任一陶瓷基摩擦材料的制备方法，其包括以下步骤：
a)按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b)球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
b)将上步所得原料粉体倒入模具中进行热压烧结，其中，热压压力为5～50MPa，烧结温度为1500～1750℃，烧结时间为1～4小时，环境气氛为氮气。
第三方面，本申请提供上述任一陶瓷基摩擦材料的制备方法，其包括以下步骤：
a)按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b)球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
c)将上步所得原料粉体压制成型，再经冷等静压处理，得到陶瓷坯体；
d)将上述陶瓷坯体进行无压烧结，其中，烧结温度为1500～1750℃，烧结时间为1～4小时，环境气氛为氮气。
第四方面，本申请提供上述任一陶瓷基摩擦材料的制备方法，其包括以下步骤：
a)按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b)球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
c)将上步所得原料粉体压制成型，再经冷等静压处理，得到陶瓷坯体；
d)将上述陶瓷坯体放入进行气压烧结，其中，烧结温度为1500～1850℃，烧结时间为1～4小时，气压压力为0.1～10MPa，环境气氛为氮气。
较佳地，压制方法为干压，干压压力为10～100MPa；冷等静压压力为50～400MPa。
第五方面，本申请提供一种耐磨结构件，其使用上述任一Si3N4陶瓷基摩擦材料制得。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明一实施方式的Si3N4陶瓷基摩擦材料，包含Si3N4基体、BN润滑相和β-Si3N4晶须增强相，以及一定含量的陶瓷纤维。该Si3N4陶瓷基摩擦材料可以是以Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体为主要原料，均匀混合后烧结制备得到。
一些实施方式中，所述原料由Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体组成。
Si3N4粉作为基体原料，其质量分数可为45～92％，优选为45～65％。Si3N4粉的平均粒径可为0.2～10μm，优选为0.2～2μm。
BN粉的质量分数可为2～40％。如果BN粉的质量分数低于2％，则摩擦噪声较大，且摩擦系数不稳定；如果BN粉的质量分数高于40％，则材料的磨损量较高。从降低噪声的角度考虑，BN粉的质量分数优选为20～40％。BN粉的平均粒径可为0.05～20μm，优选为0.2～5μm。
β-Si3N4晶须的质量分数可为2～10％，优选为4～8％。如果β-Si3N4晶须的质量分数低于2％，则材料的强度不足；如果β-Si3N4晶须的质量分数高于10％，则材料致密化困难，造成力学性能下降。β-Si3N4晶须的平均直径可为0.1～5μm，优选为0.2～1μm，平均长度可为0.3～20μm，优选为0.5～5μm，平均长径比可为3～50，优选为3～10。
陶瓷纤维的质量分数可2～20％，如果陶瓷纤维的质量分数小于2％，则材料易磨损；如果陶瓷纤维的质量分数大于20％，则材料摩擦系数不稳定，且材料制备成本较高。优选地，陶瓷纤维的质量分数为2～15％，更优选为4～10％，由此可以兼具较高的力学强度和较低的摩擦噪声，且制备成本可控。陶瓷纤维可以是Si3N4、SiC、BN、Al3O4、SiO2等纤维中的一种或几种组合，其中优选Si3N4纤维，因为选用与基材同种材料的纤维，可以实现更好的热匹配，界面处不易由于热失配产生微裂纹。陶瓷纤维的平均直径可为0.1～100μm，平均长度可为100μm-1cm，平均长径比可为102～106。
β-Si3N4晶须与陶瓷纤维的质量比为1：(1～10)，超出此范围，二者难以实现良好的协同强化效果，材料的力学性能降低，耐磨性下降。其质量比优选为1:(2～5)，在此范围内，协同强化效果最佳。
金属氧化物粉体可作为烧结助剂，例如可选自Al2O3、MgO、Y2O3、Sc2O3、Sm2O3、Lu2O3、Er2O3等中的一种或几种组合。金属氧化物粉体的质量分数可为2～15％。一些实施方式中，金属氧化物粉体为Al2O3粉体和Y2O3粉体，其中Al2O3粉体在所有原料粉体中的质量分数可为1～10％，Y2O3粉体在所有原料粉体中的质量分数可为1～10％。金属氧化物粉体的平均粒径可为0.1～20μm，优选为0.1～5μm。
将各原料混合的方法可为本领域常用的方法，例如球磨等。球磨时，分散介质可为无水乙醇，磨球可为氮化硅球。原料粉体、分散介质、磨球的质量比可为(1～3)：(1～3)：(1～3)。球磨转速可为50～500转/分钟，球磨时间可为1～48小时。将所得浆料干燥、过筛，得到混合物粉末。干燥温度可为50～80℃。过筛例如是过100目筛。
将混合物粉末烧结，得到Si3N4陶瓷基摩擦材料。
一些实施方式中，烧结方式为热压烧结。将混合物粉末装填于热压模具内进行热压烧结，得到所需陶瓷材料。热压压力可为5～50MPa，优选为20～40MPa。烧结温度可为1500～1750℃，优选为1600～1700℃。升至烧结温度的升温速率可为5～20℃/分钟。烧结时间可为1～4小时。环境气氛可为氮气。
一些实施方式中，烧结方式为无压烧结。首先，将混合物粉末制成陶瓷坯体。例如可以先压制成指定形状，再经冷等静压处理，得到陶瓷坯体。压制方式可为干压，干压压力可为10～100MPa，优选为20～50MPa。冷等静压压力可为50～400MPa，优选为200～400MPa。然后，将陶瓷坯体放入高温炉中烧结，得到所需陶瓷材料。烧结温度可为1500～1750℃，优选为1600～1750℃。升至烧结温度的升温速率可为5～20℃/分钟。烧结时间可为1～4小时。环境气氛可为氮气。
一些实施方式中，烧结方式为气压烧结。首先，将混合物粉末制成陶瓷坯体，其制备方法可如上所述。然后，将陶瓷坯体放入气压烧结炉中烧结，得到所需陶瓷材料。烧结温度可为1500～1850℃，优选为1600～1850℃。升至烧结温度的升温速率可为5～20℃/分钟。烧结时间可为1～4小时。气压压力为0.1～10MPa，优选为0.5～5MPa。环境气氛可为氮气。
与现有技术相比，本申请提供的低噪声Si3N4陶瓷基摩擦材料，包含Si3N4基体相、BN润滑相、β-Si3N4晶须增强相以及陶瓷纤维增强相，可兼具Si3N4陶瓷的耐磨特性、BN的润滑作用、β-Si3N4晶须以及陶瓷纤维双重增强作用，具有力学性能高、耐磨性能好、摩擦噪声低、摩擦系数稳定的特点，其体系中的BN润滑相，可显著改善摩擦部件在干摩擦条件下的耐磨性和稳定性，降低噪声污染，具有很强的实用价值，例如可用于制备摩擦片、轴承、密封环等耐磨结构件。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
测试方法：
硬度：依据GB/T 16534-2009《精细陶瓷室温硬度试验方法》采用Wilson-WolpertTukon2100B维氏硬度计进行测试。
弹性模量：依据GB10700-2006-T《精细陶瓷弹性模量试验方法弯曲法》采用Instron-5566万能材料试验机进行测试。
磨损量：材料磨损量测试采用立式万能材料摩擦磨损试验机。
噪声：依据GB-3096-2008《声环境质量标准》采用HNT16040型声级计进行测试。
实施例1
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，5g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，10g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
实施例2
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，5g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，10g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
采用钢模将上步所得混合物粉体原料以20MPa压力干压制成指定形状，再经200MPa冷等静压处理，保压10分钟，得到陶瓷坯体。
将上步所制陶瓷坯体放入高温炉中烧结，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，保温时间2小时，之后随炉冷却即得到所需陶瓷材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
实施例3
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，5g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，10g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
采用钢模将上步所得混合物粉体原料以20MPa压力干压制成指定形状，再经200MPa冷等静压处理，保压10分钟，得到陶瓷坯体。
将上步所制陶瓷坯体放入气压烧结炉中烧结，通入N2气氛，炉内气压1MPa，10℃/分钟升温至1750℃，保温时间2小时，之后随炉冷却即得到所需陶瓷材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
实施例4
称取2g中位粒径0.5μm的BN粉，85g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，2g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，4g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，5g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及2g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
实施例5
称取20g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，3g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，15g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，8g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
实施例6
称取35g中位粒径0.5μm的BN粉，45g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，2g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，4g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，9g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及5g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本实施例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例1
称取25.5g中位粒径0.5μm的BN粉，60.5g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
采用钢模将上步所得混合物粉体原料以20MPa压力干压制成指定形状，再经200MPa冷等静压处理，保压10分钟，得到陶瓷坯体。
将上步所制陶瓷坯体放入高温炉中烧结，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，保温时间2小时，之后随炉冷却即得到所需陶瓷材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例2
称取86g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
采用钢模将上步所得混合物粉体原料以20MPa压力干压制成指定形状，再经200MPa冷等静压处理，保压10分钟，得到陶瓷坯体。
将上步所制陶瓷坯体放入气压烧结炉中烧结，通入N2气氛，炉内气压1MPa，10℃/分钟升温至1750℃，保温时间2小时，之后随炉冷却即得到所需陶瓷材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例3
称取71g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，5g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，10g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
采用钢模将上步所得混合物粉体原料以20MPa压力干压制成指定形状，再经200MPa冷等静压处理，保压10分钟，得到陶瓷坯体。
将上步所制陶瓷坯体放入气压烧结炉中烧结，通入N2气氛，炉内气压1MPa，10℃/分钟升温至1750℃，保温时间2小时，之后随炉冷却即得到所需陶瓷材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例4
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，15g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例5
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，15g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例6
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，10g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，5g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
对比例7
称取21g中位粒径0.5μm的BN粉，50g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉，1g平均直径为0.2μm、平均长度为3μm的β-Si3N4晶须，14g平均直径为10μm、平均长度为1mm的SiC纤维，10g中位粒径为1μm的Y2O3粉以及4g中位粒径为1μm的Al2O3粉，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料。
将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末。
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硅基复合材料。
本对比例所需原料组分和制得复合材料性能见表1。
表1.各实例制备的材料组分及性能
Figure BDA0002404613230000101
注：噪声高>中>低>无
从上述实施例和对比例可以看出，材料体系中含有BN可以显著降低摩擦过程中的摩擦噪声，同时含有一定比例的β-Si3N4晶须和SiC纤维可以具有优异的力学性能和耐磨性；对比例1中仅有BN而不添加β-Si3N4晶须和SiC纤维，尽管摩擦噪音较低，但是材料的磨损量较高；对比例2中不含BN同时不含β-Si3N4晶须和SiC纤维，材料磨损量较低，但是摩擦噪音高；对比例3中不含BN仅含β-Si3N4晶须和SiC纤维，尽管材料磨损量较低，但是摩擦噪音高；对比例4中含BN和β-Si3N4晶须，不含SiC纤维，尽管摩擦噪音低，但是材料磨损量偏高；对比例5中含BN和SiC纤维，不含β-Si3N4晶须，尽管摩擦噪音低，但是材料磨损量偏高；对比例6和7中含BN，同时含有SiC纤维和β-Si3N4晶须，尽管具备磨损量低和摩擦噪音低的优点，但是其磨损量高于实施例1，表明不合理的SiC纤维和β-Si3N4晶须配比所产生的增强效果不佳。

Claims (10)

1.一种Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，以Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体为主要原料，均匀混合后烧结制得，所述原料中，Si3N4粉质量分数为45～92%，BN粉质量分数为2～40%，β-Si3N4晶须质量分数为2～10%，陶瓷纤维质量分数为2～20%，金属氧化物质量分数为2～15%，β-Si3N4晶须与陶瓷纤维的质量比为1：（1～10）。
2.根据权利要求1所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，所述陶瓷纤维选自Si3N4、SiC、BN、Al3O4、SiO2纤维中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，所述金属氧化物粉体选自Al2O3、MgO、Y2O3、Sc2O3、Sm2O3、Lu2O3、Er2O3中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，Si3N4粉的平均粒径为0.2～10μm；BN粉的平均粒径为0.05～20μm；β-Si3N4晶须的平均直径为0.1～5μm，平均长度为0.3～20μm；陶瓷纤维的平均直径为0.1～100μm，平均长度为100μm-1cm；金属氧化物粉的平均粒径为0.1～20μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料，其特征在于，所述烧结的方法为热压烧结、无压烧结或气压烧结。
6.一种权利要求1至4中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a) 按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b) 球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
b) 将上步所得原料粉体倒入模具中进行热压烧结，其中，热压压力为5～50MPa，烧结温度为1500～1750℃，烧结时间为1～4小时，环境气氛为氮气。
7.一种权利要求1至4中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a) 按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b) 球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
c) 将上步所得原料粉体压制成型，再经冷等静压处理，得到陶瓷坯体；
d) 将上述陶瓷坯体进行无压烧结，其中，烧结温度为1500～1750℃，烧结时间为1～4小时，环境气氛为氮气。
8.一种权利要求1至4中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a) 按配比称取Si3N4粉、BN粉、β-Si3N4晶须、陶瓷纤维以及金属氧化物粉体；
b) 球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体；
c)将上步所得原料粉体压制成型，再经冷等静压处理，得到陶瓷坯体；
d) 将上述陶瓷坯体放入进行气压烧结，其中，烧结温度为1500～1850℃，烧结时间为1～4小时，气压压力为0.1～10MPa，环境气氛为氮气。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，压制方法为干压，干压压力为10～100MPa；冷等静压压力为50～400MPa。
10.一种耐磨结构件，其特征在于，使用权利要求1至5中任一项所述的Si3N4陶瓷基摩擦材料制得。
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