CN111875359A - 一种耐高压绝缘定位陶瓷材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，涉及陶瓷材料技术领域。本发明公开的耐高压绝缘定位陶瓷材料是由以下重量份数的原料组成：由以下重量份数的原料组成：氧化铝50‑65份、氮化铝5‑10份、氧化钛15‑20份、氧化铍5‑10份、氧化镁5‑10份、分散剂2‑4份、粘结剂1‑1.5份和除泡剂0.5‑1份，分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛。此外，本发明还提供了耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法。本发明的耐高压绝缘定位陶瓷材料具有优良的耐磨性能、高强度和高韧性，在高温条件下工作，耐高压，绝缘不导电，不易变形，不易磨损，不易断裂，延长了轴承的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种耐高压绝缘定位陶瓷材料。
背景技术
定位件就是参与限制物品***的零件，在由两部分或更多部分构成的模具中，使模具相邻两部分准确定位而设计的定位部件。定位件作为当代机械设备非常重要的机械基础零部件，广泛应用于科技和经济的各个领域。现有的定位件可分为定位金属、定位塑胶和定位陶瓷。定位金属耐腐蚀性差、不耐磨且导电，对于有些特殊领域不适应；而定位塑胶的硬度差，易变形，不耐高温，使用寿命短，只适用于特定领域。由于工业技术的不断发展，在一些比较苛刻的条件下，如航空、航天、核能、化学、石油、食品等领域，需要定位套件在高温、高压、腐蚀、真空、无润滑等特殊环境下仍然能够正常工作，定位塑胶和定位金属已经远远不能满足使用要求，因此，定位陶瓷得到了逐步的应用。
定位陶瓷具有极强的耐腐蚀性，强酸、强碱、海水中亦可使用，并且还具有高硬度、不导电、不导磁等优异性能，这是定位金属所无法比拟的。然而陶瓷材料用于制造定位套件还存在一些问题，如：作为定位件使用时，在两模具间定位，当压力过大时，材料易脆断；高温条件下，易开裂；材料耐磨性不佳，易磨损，使用寿命低；材料的烧结温度高，加工困难，加工成本较高等问题，影响了定位陶瓷的应用效果。
氧化铝及其复合材料具有较高的硬度，耐磨性极好，具有比重小、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐高温等优良特性，针对这些特性开发出了一系列的绝缘定位陶瓷材料。但是氧化铝陶瓷用于制造定位陶瓷材料还存在一些问题，如：相对于定位钢而言，材料易脆断；材料耐磨性不佳，易磨损，使用寿命低；材料在高温条件下，不耐高压，绝缘性能变差等，影响了氧化铝陶瓷的应用效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，具有优良的耐磨性能、高强度和高韧性，在高温条件下工作，耐高压，绝缘不导电，不易变形，不易磨损，不易断裂，延长了轴承的使用寿命。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，由以下重量份数的原料组成：氧化铝50-65份、氮化铝5-10份、氧化钛15-20份、氧化铍5-10份、氧化镁5-10份、分散剂2-4份、粘结剂1-1.5份和除泡剂0.5-1份。
进一步的，所述分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，所述硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：(2.5-3.7)。
进一步的，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，所述水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。
进一步的，所述除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
根据上述所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A；
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，在常温下进行球磨，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，获得纳米级粒度的预混物B；
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到所述预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料；
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
进一步的，所述步骤(2)的高能球磨机中，球料比为4:1，装填系数为0.2-0.4，球磨时间为2-3h。
进一步的，所述步骤(2)中的球磨速率设置为1200-1500r/min，停机前10min采用500-800r/min的缓冲速率进行球磨。
进一步的，步骤(3)中球磨速率为200-250r/mi n，球料比为6:1。
本发明取得了以下有益效果：
1、本发明的氮化铝作为常用的陶瓷材料，具有高电阻率、低高频损耗和高抗电强度，是一种优良的绝缘材料，并且具有摩擦系数低、耐腐蚀、高强度等特性，其与氧化铝结合使用，有效降低定位陶瓷的摩擦系数，提高低温陶瓷的强度。
2、本发明的氧化铍和氧化镁在高能球磨机中，与水形成胶凝材料，并协助粘结剂进一步增强本发明中各组分的粘结效果，从而提高定位陶瓷材料的机械性能，使其具有更佳的耐高温性能。
3、本发明的氧化钛作为烧结助剂，在高温条件下，与其它组分烧结形成液相，有助于晶界扩散和迁移，有效改善了定位陶瓷材料的致密度及力学性能，提高了定位陶瓷材料的韧性。
4、本发明粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，高温作用下熔化，能将其他原料紧密的粘结再一起，使烧结过程中完成材料的致密化；水玻璃与氧化钛协同作用，高温烧结形成液相，利用溶解、扩散完成材料的致密化，提高了定位陶瓷材料的强度和韧性。
5、本发明将各组分混合在一起，由于热膨胀系数和弹性模量不同，在不同原料的晶粒界面上产生应力，造成弱界面，从而改善了定位陶瓷材料的韧性，不易脆断；本发明将微米级晶粒和纳米级晶粒复合，使纳米级晶粒存在于为你米晶粒中，从而大大提高了定位陶瓷材料的强度、韧性和耐高温性能，并且在高温的工作条件下，能耐高压，有较好的强度和韧性。
6、本发明的氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化铍和氧化镁均具有较高的介电常数、低的介质损耗，是非常优良的绝缘材料，几种物质相互结合，使定位陶瓷材料具有很高的电阻率，具有高温绝缘的特性；本发明通过各组分原料的结合，并利用特定的制备方法，提高了定位陶瓷材料的耐磨性，增强了材料的强度和韧性，不易脆断，延长了陶瓷轴承的使用寿命，并且在高温下作用时，耐高压，绝缘不导电，不易变形。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明的耐高压绝缘定位陶瓷材料及其制备方法及其制备方法予以说明。
实施例1：耐高压绝缘定位陶瓷材料
一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，由以下重量份数的原料组成：氧化铝50份、氮化铝10份、氧化钛20份、氧化铍10份、氧化镁5份、分散剂3.5份、粘结剂1份和除泡剂0.5份。其中，分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：2.5。粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
根据上述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A。
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，球料比为4:1，装填系数为0.2，球磨时间为3h，高能球磨机的球磨速率设置为1200r/min，停机前10min采用500r/min的缓冲速率进行常温球磨，获得纳米级粒度的预混物B。
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料。其中，球磨速率为200-250r/mi n，球料比为6:1。
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
实施例2：耐高压绝缘定位陶瓷材料
一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，由以下重量份数的原料组成：氧化铝65份、氮化铝5份、氧化钛15份、氧化铍5份、氧化镁5.5份、分散剂2份、粘结剂1.5份和除泡剂1份。其中，分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：3.7。粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
根据上述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A。
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，球料比为4:1，装填系数为0.4，球磨时间为2h，高能球磨机的球磨速率设置为1500r/min，停机前10min采用800r/min的缓冲速率进行常温球磨，获得纳米级粒度的预混物B。
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料。其中，球磨速率为200-250r/mi n，球料比为6:1。
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
实施例3：耐高压绝缘定位陶瓷材料
一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，由以下重量份数的原料组成：氧化铝55份、氮化铝6份、氧化钛18份、氧化铍5份、氧化镁10份、分散剂4份、粘结剂1.2份和除泡剂0.8份。其中，分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：3。粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
根据上述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A。
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，球料比为4:1，装填系数为0.3，球磨时间为3h，高能球磨机的球磨速率设置为1400r/min，停机前10min采用600r/min的缓冲速率进行常温球磨，获得纳米级粒度的预混物B。
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料。其中，球磨速率为200-250r/mi n，球料比为6:1。
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
实施例4：耐高压绝缘定位陶瓷材料
一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，由以下重量份数的原料组成：氧化铝60份、氮化铝8份、氧化钛15份、氧化铍7份、氧化镁5份、分散剂3份、粘结剂1.3份和除泡剂0.7份。其中，分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：3.2。粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
根据上述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A。
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，球料比为4:1，装填系数为0.3，球磨时间为3h，高能球磨机的球磨速率设置为1300r/min，停机前10min采用700r/min的缓冲速率进行常温球磨，获得纳米级粒度的预混物B。
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料。其中，球磨速率为200-250r/mi n，球料比为6:1。
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
上述实施例1-4所制得的耐高压绝缘定位陶瓷材料与鑫角特种瓷件公司的五孔定位陶瓷材料相比，对其各项指标进行测试，具体检测结果见下表1。
表1实施例1-4与对比例的性能测试结果表
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例 | |
| 抗压强度/MPa(25℃) | 3214 | 3159 | 3358 | 3417 | 2915 |
| 抗压强度/MPa(200℃) | 2815 | 2793 | 2937 | 2954 | 2307 |
| 抗压强度/MPa(500℃) | 2564 | 2648 | 2591 | 2752 | 1389 |
| 抗压强度/MPa(1000℃) | 1928 | 1854 | 2019 | 2267 | 241 |
| 抗弯强度/MPa | 892 | 914 | 856 | 965 | 615 |
| 摩擦系数 | 0.02 | 0.03 | 0.01 | 0.04 | 0.06 |
| 硬度/MPa | 115 | 123 | 131 | 138 | 92 |
| 体积电阻率/Ω.m(25℃) | 5.7×10<sup>15</sup> | 8.9×10<sup>15</sup> | 7.5×10<sup>15</sup> | 9.8×10<sup>15</sup> | 6.5×10<sup>14</sup> |
| 体积电阻率/Ω.m(500℃) | 6.3×10<sup>13</sup> | 1.8×10<sup>13</sup> | 9.8×10<sup>12</sup> | 7.2×10<sup>13</sup> | 3.3×10<sup>10</sup> |
| 体积电阻率/Ω.m(1000℃) | 2.8×10<sup>11</sup> | 3.7×10<sup>11</sup> | 8.4×10<sup>11</sup> | 1.4×10<sup>12</sup> | 2.3×10<sup>7</sup> |
根据以上实施例1-4与对比例的对比试验结果，可以看出，与对比例相比，本发明的耐高压绝缘定位陶瓷材料的摩擦系数更低，抗拉强度、抗折强度、维氏硬度高很多，则具有更高的强度和更好的韧性，不易脆断，延长了本发明的使用寿命。本发明的在高温条件下，具有更好的抗压强度和绝缘性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种耐高压绝缘定位陶瓷材料，其特征在于，由以下重量份数的原料组成：氧化铝50-65份、氮化铝5-10份、氧化钛15-20份、氧化铍5-10份、氧化镁5-10份、分散剂2-4份、粘结剂1-1.5份和除泡剂0.5-1份。
2.根据权利要求1所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料，其特征在于，所述分散剂为硬脂酸钡和聚乙二醇，所述硬脂酸钡与聚乙二醇的质量比为1：(2.5-3.7)。
3.根据权利要求1所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料，其特征在于，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇缩丁醛，所述水玻璃与聚乙烯醇缩丁醛的质量比为1：1。
4.根据权利要求1所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料，其特征在于，所述除泡剂为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1-4所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将上述重量份数分别称取氧化铝和氮化铝混合均匀，研磨至平均粒径为50-80μm的颗粒状粉末，制得预混物A；
(2)将上述重量份数的氧化钛、氧化铍和氧化镁，投入到高能球磨机中，在惰性气体的保护下，往高能球磨机中添加剂料比为2:1的水，在常温下进行球磨，介质为硬度HRC≥50的铸钢钢球，获得纳米级粒度的预混物B；
(3)将上述重量份数的分散剂、粘结剂和除泡剂加入到所述预混物A和预混物B中，搅拌30min后与水混合均匀，然后置于球磨机中，球磨6-8h，制得所需浆料；
(4)将上述浆料于100-120℃下干燥2-4h，然后采用空气气流分级技术或其他惰性气体气流分级技术进行精确分级，以获得纳米级粒径的粉体，再将粉体装入所需形状的热压模具中，在300-400MPa 下压制成型，制得毛坯；
(5)将步骤(4)中制得的毛坯置于烧结炉中，以惰性气体为保护气，在1650-1800℃进行常压烧结，保温时间为5-9h，随炉冷却至室温后取出，制得所需的耐高压绝缘定位陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的高能球磨机中，球料比为4:1，装填系数为0.2-0.4，球磨时间为2-3h。
7.根据权利要求5所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的球磨速率设置为1200-1500r/min，停机前10min采用500-800r/min的缓冲速率进行球磨。
8.根据权利要求5所述的耐高压绝缘定位陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中球磨速率为200-250r/min，球料比为6:1。
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