CN115108746A - 一种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，高耐磨复合陶瓷材料以陶瓷材料为主体材料，且所述的高耐磨复合陶瓷材料中的陶瓷材料是以两种结合状态结合在一起；其中，一种是陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种陶瓷材料结合状态的高耐磨复合陶瓷材料。本发明采用陶瓷材料经过二次烧结，制作成具有两种陶瓷材料结合结构的复合陶瓷材料，通过少量的高分子聚合物以化学键方式与陶瓷颗粒结合在一起，形成的复合陶瓷材料具有更高的耐磨性能，可以进一步提升陶瓷材料的整体耐磨性及韧性等性能。

Description

一种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，尤其是指一种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法；该种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法以陶瓷颗粒为主体材料，通过二次低温烧结形成复合陶瓷材料，可以在保持陶瓷材料原有特性的情况下，大幅提升陶瓷材料的韧性和耐磨性能；属于陶瓷材料制作技术领域。

背景技术

由于特种陶瓷材料具有优良的高强度、耐腐蚀和高耐磨性，在现在的机械工程中，很多结构零件如密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等频繁经受摩擦而易磨损的部件，都开始采用特种陶瓷材料来制作；但是由于陶瓷材料一般都是采用天然或合成化合物经过成形和高温烧制制成的一类无机非金属材料，虽然它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，但也有其致命的弱点，那就是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。

而且发明人在进行陶瓷材料的研究过程中还发现，现有的陶瓷制品或陶瓷材料，不仅仅是具有脆性，在使用过程中，虽然具有高耐磨性，但终究还是会存在磨损，关键的是所磨损的陶瓷粉末，磨损下来的粉末将成为一种散状的粉剂，由于粉剂的硬度相当大，反而会在陶瓷与其结合的表面之间形成一种类似研磨剂的作用，这样容易引起陶瓷或进一步加速磨损，导致耐磨性的下降，这也就是为什么陶瓷制品在出现磨损以后，会变成快速磨损的主要原因。目前市场上也有在高分子复合材料中添加陶瓷微珠来增加耐磨性的报道，但是这些都是基于高分子复合材料为主体，通过添加一些耐磨材料来改善高分子复合材料的耐磨性；并不是从陶瓷材料本身来考虑如何提高陶瓷材料的耐磨性的。

发明人在研究中发现，之所以会出现这样一种情况主要是由于现有陶瓷材料的结构本身所决定的。由于现在的陶瓷材料都是采用陶瓷浆料进行高温烧结，制成陶瓷制品；所制得的陶瓷制品或陶瓷材料全部是陶瓷成分，而且陶瓷材料之间的结合主要为离子键和共价键，因此陶瓷材料韧性较差；陶瓷材料在裂纹或磨损后，陶瓷之间结合的离子键和共价键将断裂，而且将使得离子键和共价键断裂的陶瓷材料之间不再具有结合力，形成松散的颗粒状粉末。这种散状的陶瓷粉末将形同一种研磨剂，在陶瓷材料与配合的材料表面形成研磨效应，从而加速陶瓷表面与结合的其它物体的表面之间的研磨作用，使得磨损加速，这对于改善陶瓷材料的耐磨性来说是极为不利的。因此很有必要加以改进。

通过查询检索为发现相同的技术报道，只有相关领域的技术文献，最为接近的由以下几篇：

1、专利号为CN202011095304.2，名称为“一种空心玻璃微珠改性尼龙复合材料及其制备方法、应用”，申请人为：上海大赛璐塑料工业有限公司的发明专利申请，该专利公开了一种空心玻璃微珠改性尼龙复合材料及其制备方法、应用，其制备原料，以重量份计，包括聚酰胺56～79、相容剂5～11、空心玻璃微珠10～30、玻璃纤维0～18、硅烷偶联剂0～1；所述空心玻璃微珠的密度为0.1～0.6g/cm 3 。该专利通过采用特定含量的环氧表面改性空心玻璃微珠，在有效降低复合材料比重的同时，显著改善了其比强度等机械性能。其次，还提出通过采用特定含量、特定结构的硅烷偶联剂，有效促进聚酰胺树脂和空心玻璃微珠等填充原料之间的界面融合作用，显著增强了复合材料的机械强度和韧性；但是该专利是以高分子材料为主体材料，添加空心玻璃微珠作为添加剂来提高尼龙符合材料的性能，所以并未真正体现出陶瓷材料的特性。

2、专利号为CN200810048689.X，名称为“一种陶瓷高分子材料耐磨防腐复合管及其制作方法”，申请人为：襄樊瑞福特电力设备有限公司的发明专利申请，该专利申请公开了一种陶瓷高分子材料耐磨防腐复合管及其制作方法，按重量份配比，其组成为：高分子材料10-50份，陶瓷微粒30-90份，将二者混合均匀加热至50-250摄氏度制成陶瓷高分子材料耐磨防腐复合管。本发明所说的高分子材料为防腐塑料或橡胶中的一种或两种混合物。并提出所说的高分子材料为防腐塑料时，按重量份配比，其组成为：粒径为1-4毫米的防腐的塑料颗粒15-30份，粒径为0.001-6毫米陶瓷微粒30-90份，将二者混合均匀，并加热至100-200摄氏度，此时混合物成半熔融状态，加压投入模具，并用压力机压制3-12分钟，制成陶瓷塑料耐磨防腐复合管。该专利虽说提出的陶瓷高分子材料耐磨防腐复合管及其制作方法，但仍只是将陶瓷粒料简单地加入到高分子材料中进行混合，通过高分子材料固化形成的复合管，这样的陶瓷粒料与高分子之间只是简单的粘结在一起，很容易在磨损中出现脱落的现象。

3、专利号为CN201710740072.3，名称为“有机-无机纳米粉体梯度复合耐磨外壳的制造方法及其应用”，申请人为：南通通州湾新材料科技有限公司的发明专利，该专利公开了一种有机-无机纳米粉体梯度复合耐磨外壳的制造方法及其应用。该制造方法是在注塑时用外加急冷急热源多次快速冷热循环处理待固化的外壳坯体，利用无机纳米粉体与有机高分子材料冷热场下迁移速率不同，使无机纳米粉体梯度化的分布在靠近外壳表层一侧，提高外壳的表面耐磨性能，解决了现有技术中单独氧化陶瓷烧结外壳抗摔性能不佳的问题和聚氨酯与无机碳化硅粉末混合制备的外壳耐磨性能并未明显解决的问题，可以用与表壳、手机外壳(背板)、中框等3C消费类电子的结构件的制备。另外一方面在制备过程无高温脱脂烧结等过程，减少了有机物分解排放，不仅环保，而且节能。该专利也只是解决高分子复合材料的不均匀性问题，并没有提出如何解决陶瓷材料耐磨性所存在的不足。

从上述这些专利的分析中可以看出，虽然这些专利都涉及到复合材料和陶瓷，也提出了不少的改进技术方案，但是这些专利技术只是从以高分子材料为主体，通过添加陶瓷微珠来提高复合材料的性能的思路所提出的，只是考虑怎么添加陶瓷材料作为耐磨材料，来改善高分子复合材料的耐磨性，并没有实质解决现有陶瓷材料在磨损中所出现的问题，这样并没有真实地解决现有陶瓷材料自身的问题，因此前面所述的问题仍然存在，所以很有必要对此加以改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高耐磨复合陶瓷材料。该种高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法能够有效解决前面所描述的陶瓷材料自身脆性所带来的不利的问题，可以进一步提高陶瓷材料的耐磨性能。

本发明的另一个目的是提出一种制备上述材料的制备方法。

本发明主要通过以下技术方案实现的：一种高耐磨复合陶瓷材料，高耐磨复合陶瓷材料以陶瓷材料为主体材料，且所述的高耐磨复合陶瓷材料中的陶瓷材料是以两种结合状态结合在一起；其中，一种是陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种陶瓷材料结合状态的高耐磨复合陶瓷材料。

进一步地，所述的陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起是将2-5um的陶瓷微粉经过高温烧结所形成的陶瓷内部为离子键和共价键结合状态结合在一起的10-1000um的微米级陶瓷颗粒。

进一步地，所述的陶瓷材料之间以化学键的方式结合在一起是将经过高温烧结的微米级陶瓷颗粒进行表面改性处理，再与高分子聚合物一起在低温条件下经过二次低温压制烧结，使得微米级陶瓷颗粒中有一部分经过表面改性处理的微米级陶瓷颗粒表面形成化学键结合在一起，形成陶瓷材料与陶瓷材料之间的部分为离子键和共价键结合状态结合在一起，部分为化学键结合在一起。

进一步地，所述的低温烧结是在80-300℃温度条件下进行二次烧结；先将高温烧结的微米级陶瓷颗粒逐步加入到粘度在500-2000cPs的高分子聚合物中，在真空高速搅拌的条件下，使得微米级陶瓷颗粒占整体物料的60-90%，形成微米级陶瓷颗粒紧靠在一起的预制料，并将预制料温度保持控制在20℃-35℃；再将预制料导入预热的成型模具中，并使模具温度高于预制料温度2-5℃，预制料充满模具后，将温度升高至45℃-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至80℃-300℃恒温2-3h，进行二次低温烧结，使得预制料中的部分微米级陶瓷颗粒表面之间形成化学键结合在一起。

进一步地，所述的表面改性处理是对高温烧结出来的微米级陶瓷颗粒的表面利用表面改性剂进行改性处理，使得微米级陶瓷颗粒之间的表面结合通过高分子聚合物的作用形成化学键结合。

进一步地，所述的表面改性剂包括硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂，通过硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂对微米级陶瓷颗粒或微珠的表面进行改性处理，形成表面改性的微米级陶瓷颗粒，使得微米级陶瓷颗粒在二次低温烧结时能相互形成化学键结合。

进一步地，所述的高分子聚合物包括聚氨酯体系、环氧体系中的一种单一组分，或两种及以上的混合物；高分子聚合物加入量占整体材料的10-40%。

进一步地，所述的高分子聚合物为低粘度聚氨酯树脂；或由树脂部分和固化剂部分组成的热固性树脂体系，其中所述树脂部分由通用型环氧树脂和活性稀释剂组成，固化剂部分为改性胺类固化剂，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比。

进一步地，所述的陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、碳化硼或/和氧化铝粉末，且为微米级的粉末。

一种高耐磨复合陶瓷材料的制备方法，先采用陶瓷微粉经过烧结形成微米级陶瓷颗粒，再对微米级陶瓷材料的表面进行改性处理，然后将表面处理后的微米级陶瓷材料与高分子聚合物混合，再进行低温二次烧结，制作成具有两种陶瓷材料结合结构的复合陶瓷材料。

进一步地，所述的陶瓷微粉经过烧结形成陶瓷颗粒是采用2-5um的陶瓷粉末高温烧结形成粒径为10-1000um的微米级陶瓷颗粒。

进一步地，所述的对微米级陶瓷颗粒的表面进行改性处理是将烧制出来的微米级陶瓷颗粒与硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至70-90℃恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，使其与高分子聚合物具有很好结合力。

进一步地，所述的将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物混合是将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物充分混合，并加入固化剂制成二次烧结预制料，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比。

进一步地，所述的低温二次烧结是将表面改性处理后的陶瓷颗粒与高分子聚合物混合，再经过低温50-300℃温度条件下进行再次烧结，使得部分陶瓷颗粒之间通过高分子聚合物发生化学反应，部分陶瓷颗粒之间以化学键的方式结合在一起，形成复合陶瓷材料。

进一步地，所述的复合陶瓷材料制备方法包括如下步骤：

1）将微米级的陶瓷粉末通过预制成型，制成10-1000um的陶瓷颗粒粒料，经过高温烧结制成陶瓷颗粒；

2）将烧结形成的陶瓷颗粒放入反应罐中与硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至70-90℃恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，提高与高分子聚合物具有很好结合力；

3）将复合陶瓷总体材料的重量的10%-40%高分子聚合物放入混合装置中，通过温控装置调节单组份高分子树脂温度，使粘度保持在500-2000cPs；再在真空高速搅拌的条件下，将经过表面改性处理的陶瓷颗粒逐步加入到高分子聚合物中，陶瓷颗粒的添加量为复合陶瓷总体材料的重量的60%-90%，在真空度为5-50mPa的条件下搅拌均匀后，静置脱泡10-20min，形成复合陶瓷混合料；

4）再将静置脱泡完成后的复合陶瓷混合料，通过静态混合管与固化剂混合，形成复合陶瓷预制料，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比；复合陶瓷混合料和固化剂混合前通过换热装置进行加热或冷却，使得混合完成后的复合陶瓷预制料温度为20℃-35℃；复合陶瓷预制料在真空条件下恒温储存于混料罐中；

5）将复合陶瓷预制料放入成型设备中，分二部进行二次烧结成型，第一步温度升高至45-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至，80-300℃恒温2-3h；制得复合陶瓷材料。

本发明的有益效果：

本发明改变了现有陶瓷的结构。具有以下一些优点：

1、采用高温烧制的微米级陶瓷颗粒并以化学键部分替代陶瓷内部原有的离子键和共价键制成耐磨复合陶瓷材料的技术，大幅提高了陶瓷材料的韧性；

2、本发明的与传统的陶瓷耐磨材料相比较，这种复合陶瓷材料韧性更好，可以用于制造尺寸更大的耐磨材料部件，具有重量轻、硬度大，耐磨性能好的优点；

3、本发明采用单组份高分子材料与陶瓷微珠进行混合的方式，充分利用了树脂的可操作时间，提高了生产效率；整个过程中采用真空对材料体系进行脱泡，有效的降低了成型后材料中的气孔或缺陷，大大提高了材料的力学性能及使用寿命；

4、本发明通过调节温度控制体系粘度，避免了对整个制造环境进行恒温，降低了能源消耗，同时保证了制造过程和产品质量的稳定性。

附图说明

图1为本发明制作工艺流程图；

图2为本发明陶瓷材料之间结合与工艺流程匹配示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述。

实施例一

如附图1所示，一种氧化锆高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，高耐磨复合陶瓷材料以氧化锆陶瓷材料为主体材料，且所述的高耐磨复合氧化锆陶瓷材料中的氧化锆陶瓷材料是以两种结合状态结合在一起；其中，一种是氧化锆陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是氧化锆陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种氧化锆陶瓷材料结合状态的高耐磨复合氧化锆陶瓷材料。

发明人在进行陶瓷材料的研究过程中发现，现有的陶瓷材料，都是在高温下烧结成型的，其内部的结构均为离子键和共价键结合状态，这使得陶瓷材料具有很高的硬度和很好的耐磨性，但也就导致了陶瓷材料具有脆性；在使用过程中，很容易脆裂。虽然陶瓷材料具有高耐磨性，但终究还是会存在磨损，而且磨损的都是由于陶瓷脆裂所形成的颗粒状粉末，关键的是所磨损的陶瓷颗粒状粉末，将成为一种散状的粉剂，陶瓷材料的之间的离子键和共价键结合状态已经打破，不会再形成结合力，由于粉剂的硬度相当大，反而会在陶瓷与其结合的表面之间形成一种类似研磨剂的作用，这样容易引起陶瓷或进一步加速磨损，导致耐磨性的下降，这也就是为什么陶瓷制品在出现磨损以后，会变成快速磨损的主要原因。

发明人在研究中发现，之所以会出现这样一种情况主要是由于现有陶瓷材料的结构本身所决定的。由于现在的陶瓷材料都是采用陶瓷浆料进行高温烧结，制成陶瓷制品；所制得的陶瓷制品或陶瓷材料全部是陶瓷成分，而且陶瓷材料之间的结合主要为离子键和共价键，因此陶瓷材料韧性较差；陶瓷材料在裂纹或磨损后，陶瓷之间结合的离子键和共价键将断裂，而且将使得离子键和共价键断裂的陶瓷材料之间不再具有结合力，形成松散的颗粒状粉末。这种散状的陶瓷粉末将形同一种研磨剂，在陶瓷材料与配合的材料表面形成研磨效应，从而加速陶瓷表面与结合的其它物体的表面之间的研磨作用，使得磨损加速，这对于改善陶瓷材料的耐磨性来说是极为不利的。

为了改变这种状态，发明人提出采用将陶瓷材料制作过程中以两种结合状态使得陶瓷材料之间形成结合，一种是陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种陶瓷材料之间结合状态的陶瓷材料，这样既能有效保证陶瓷材料原有的强度和硬度，又可以大幅提高陶瓷材料的韧性，从而防止陶瓷材料的脆裂；尤其是由于氧化锆陶瓷材料中有部分是通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，这种化学键的方式结合具有一定的相融性，可以在氧化锆陶瓷材料内部出现脆裂后，氧化锆陶瓷材料之间的离子键和共价键消失，会自动通过高分子材料的化学键进行弥补，使得磨损下来的氧化锆陶瓷粉末再次通过高分子材料的化学键结合起来，形成新的陶瓷材料结合体，从而避免原来的氧化锆陶瓷材料磨损后变成研磨剂的情况，这样经过试验可以大幅提升氧化锆陶瓷材料的耐磨性能。

所述的氧化锆陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起是将2-3um的氧化锆陶瓷微粉经过高温烧结所形成的陶瓷内部为离子键和共价键结合状态结合在一起的10-100um的微米级氧化锆陶瓷颗粒。这样所形成微米级氧化锆陶瓷颗粒越细，在二次烧结时具有跟多的相互接触的表面，在微米级氧化锆陶瓷颗粒结合在一起时，微米级氧化锆陶瓷颗粒之间的间隙更容易形成氧化锆陶瓷材料之间以化学键的方式结合。

所述的氧化锆陶瓷材料之间以化学键的方式结合在一起是将经过高温烧结的微米级氧化锆陶瓷颗粒进行表面改性处理，再与高分子聚合物一起在低温条件下经过二次低温压制烧结，使得微米级氧化锆陶瓷颗粒中有一部分经过表面改性处理的微米级氧化锆陶瓷颗粒表面形成化学键结合在一起，形成氧化锆陶瓷材料与氧化锆陶瓷材料之间的部分（约70-80的氧化锆陶瓷粉体材料表面积）为离子键和共价键结合状态结合在一起，而另部分（约20-30的氧化锆陶瓷粉体材料表面积）为化学键结合在一起。这种所述的低温二次烧结是在第一次高温（1200-1500℃）将氧化锆陶瓷微粉烧结成陶瓷颗粒之后，再将氧化锆陶瓷颗粒进行二次低温烧结，使得氧化锆陶瓷材料的表面形成一部分（主要是氧化锆陶瓷颗粒之间的间隙）形成化学键结合，这样使得整体的氧化锆陶瓷材料性能发生变化，形成一种具有部分氧化锆陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合和部分氧化锆陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，的两种氧化锆陶瓷材料结合状态的氧化锆陶瓷材料。这样所形成的氧化锆陶瓷材料在保持原有氧化锆陶瓷材料的高强度高硬度的特性下，进一步增强了韧性和耐磨性。

所述的低温烧结是在100-200℃温度条件下进行二次烧结；先将高温烧结的微米级氧化锆陶瓷颗粒逐步加入到粘度在500-2000cPs的高分子聚合物中，在真空高速搅拌的条件下，使得微米级氧化锆陶瓷颗粒占整体物料的80-90%，形成微米级氧化锆陶瓷颗粒紧靠在一起的预制料，并将预制料温度保持控制在20℃-35℃；再将预制料导入预热的成型模具中，并使模具温度高于预制料温度2-5℃，预制料充满模具后，将温度升高至45℃-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至80℃-300℃恒温2-3h，进行二次低温烧结，使得预制料中的部分微米级氧化锆陶瓷颗粒表面之间通过高分子材料形成化学键结合在一起。

所述的表面改性处理是对高温烧结出来的微米级氧化锆陶瓷颗粒的表面利用表面改性剂进行改性处理，使得微米级氧化锆陶瓷颗粒或微珠之间的表面结合通过高分子聚合物的作用形成化学键结合。所谓改性处理是为了使得第一次烧结出来的氧化锆陶瓷颗粒在第二次低温烧结时能够使得氧化锆陶瓷材料之间有部分氧化锆陶瓷材料通过高分子聚合物形成化学键的结合，改变原来的氧化锆陶瓷材料全部由离子键和共价键结合状态，这样有利于提高氧化锆陶瓷材料的韧性。

所述的表面改性剂包括硅氧烷偶联剂，通过硅氧烷偶联剂对微米级氧化锆陶瓷颗粒的表面进行改性处理，形成表面改性的微米级氧化锆陶瓷颗粒，使得微米级氧化锆陶瓷颗粒在二次低温烧结时能形成化学键结合。

所述的高分子聚合物包括聚氨酯体系、环氧体系中的一种单一组分，或两种及以上的混合物；高分子聚合物加入量占整体材料的10-20%。

所述的高分子聚合物为低粘度聚氨酯树脂；或由树脂部分和固化剂部分组成的热固性树脂体系，其中所述树脂部分由通用型环氧树脂和活性稀释剂组成，固化剂部分为改性胺类固化剂，树脂部分和固化剂部分按照100:1-20重量份量进行配比；优选树脂部分和固化剂部分按照100:10重量份量进行配比。改性胺类固化剂包括改性多元胺、环氧树脂改性胺类固化剂。

所述的氧化锆陶瓷材料包括氧化锆粉末，且为微米级的粉末。

一种高耐磨复合氧化锆陶瓷材料的制备方法，先采用氧化锆陶瓷微粉经过烧结形成微米级氧化锆陶瓷颗粒，再对微米级氧化锆陶瓷材料的表面进行改性处理，然后将表面处理后的微米级氧化锆陶瓷材料与高分子聚合物混合，再进行低温二次烧结，制作成具有两种氧化锆陶瓷材料结合结构的复合氧化锆陶瓷材料。

所述的氧化锆陶瓷微粉经过烧结形成氧化锆陶瓷颗粒是采用2-3um的氧化锆陶瓷粉末高温烧结形成粒径为10-100um的微米级氧化锆陶瓷颗粒。

所述的对微米级氧化锆陶瓷颗粒的表面进行改性处理是将烧制出来的微米级氧化锆陶瓷颗粒与硅氧烷偶联剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至80℃恒温1h，进行表面改性处理，使得氧化锆陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，使其与高分子聚合物具有很好结合力。

所述的将表面处理后的微米级氧化锆陶瓷颗粒与高分子聚合物混合是将表面处理后的微米级氧化锆陶瓷颗粒与高分子聚合物充分混合，并加入固化剂制成二次烧结预制料。

所述的低温二次烧结是将表面改性处理后的氧化锆陶瓷颗粒与高分子聚合物混合，再经过低温80-300℃温度条件下进行再次烧结，使得部分氧化锆陶瓷颗粒之间通过高分子聚合物发生化学反应，部分氧化锆陶瓷颗粒之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成复合氧化锆陶瓷材料。

进一步地，所述的复合氧化锆陶瓷材料制备方法包括如下步骤：

1）将2-3um微米级的氧化锆陶瓷粉末通过预制成型，制成10-100um的氧化锆陶瓷颗粒粒料，经过高温烧结制成氧化锆陶瓷颗粒；烧制的工艺与常规的氧化锆陶瓷制作工艺实施，只是确保烧制出来的氧化锆陶瓷颗粒不得大于微米级；

2）将烧结形成的氧化锆陶瓷颗粒放入反应罐中与硅氧烷偶联剂在指定35-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至80℃恒温1h，进行表面改性处理，使得氧化锆陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，提高与高分子聚合物具有很好结合力；

3）将复合氧化锆陶瓷总体材料的重量的10%-40%高分子聚合物放入混合装置中，通过温控装置调节单组份高分子树脂温度，使粘度保持在500-2000cPs；再在真空高速搅拌的条件下，将经过表面改性处理的氧化锆陶瓷颗粒逐步加入到高分子聚合物中，氧化锆陶瓷颗粒的添加量为复合氧化锆陶瓷总体材料的重量的60%-90%，在真空度为5-50mPa的条件下搅拌均匀后，静置脱泡10-20min，形成复合氧化锆陶瓷混合料；这里需要注意的是必须保证所制得的复合氧化锆陶瓷混合料既要搅拌均匀，还不得有气泡存在，必须在真空状态下进行边排气，边搅拌；

4）再将静置脱泡完成后的复合氧化锆陶瓷混合料，通过静态混合管与多元胺改性固化剂混合，形成复合氧化锆陶瓷预制料，树脂部分和多元胺改性固化剂部分按照100:1-20重量份量进行配比；复合氧化锆陶瓷混合料和多元胺改性固化剂混合前通过换热装置进行加热或冷却，使得混合完成后的复合氧化锆陶瓷预制料温度为20℃-35℃；复合氧化锆陶瓷预制料在真空条件下恒温储存于混料罐中；之所以要在真空条件下恒温储存是一直可以保证尽可能排尽预制料智能的气体，由于是以氧化锆陶瓷材料为主体，所以高分子材料是辅料，要想排尽预制料的空气难度比较大，需要坚持在储存时也进行排气为好；

5）将复合氧化锆陶瓷预制料放入成型设备中，分二部进行二次烧结成型，第一步温度升高至45-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至，150-180℃恒温2-3h；制得复合氧化锆陶瓷材料。

所制备出来的高耐磨复合氧化锆陶瓷材料为80-90%的氧化锆陶瓷材料的高耐磨复合氧化锆陶瓷材料，高耐磨复合氧化锆陶瓷材料中的氧化锆陶瓷材料存在两种结合状态结合在一起；其中，一种是氧化锆陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是氧化锆陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种氧化锆陶瓷材料结合状态的高耐磨复合氧化锆陶瓷材料。

实施例二

实施例二与实施例一的原理是一样的，只是制作方法和材料稍有不同，为一种高耐磨复合陶瓷材料的制备方法，先采用陶瓷微粉经过烧结形成微米级陶瓷颗粒，再对微米级陶瓷材料的表面进行改性处理，然后将表面处理后的微米级陶瓷材料与高分子聚合物混合，再进行低温二次烧结，制作成具有两种陶瓷材料结合结构的复合陶瓷材料。

所述的陶瓷微粉经过烧结形成陶瓷颗粒是采用2-5um的陶瓷粉末高温烧结形成粒径为10-1000um的微米级陶瓷颗粒。

所述的对微米级陶瓷颗粒的表面进行改性处理是将烧制出来的微米级陶瓷颗粒与表面改性剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至70-90℃（优选80℃）恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，使其与高分子聚合物具有很好结合力。

所述的将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物混合是将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物充分混合，并加入固化剂制成二次烧结预制料，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比。

所述的低温二次烧结是将表面改性处理后的陶瓷颗粒与高分子聚合物混合，再经过低温80-300℃温度条件下进行再次烧结，使得部分陶瓷颗粒之间通过高分子聚合物发生化学反应，部分陶瓷颗粒之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成复合陶瓷材料。

所述的表面改性剂包括硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂，通过硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂对微米级陶瓷颗粒或微珠的表面进行改性处理，形成表面改性的微米级陶瓷颗粒，使得微米级陶瓷颗粒在二次低温烧结时能相互形成化学键结合。

所述的高分子聚合物包括聚氨酯体系、环氧体系中的一种单一组分，或两种及以上的混合物；高分子聚合物加入量占整体材料的10-40%。

所述的高分子聚合物为低粘度聚氨酯树脂；或由树脂部分和固化剂部分组成的热固性树脂体系，其中所述树脂部分由通用型环氧树脂和活性稀释剂组成，固化剂部分为改性胺类固化剂，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比。

所述的陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硼、碳化硼或/和氧化铝粉末，且为微米级的粉末。

进一步地，所述的复合陶瓷材料制备方法包括如下步骤：

1）将2-100um微米级的陶瓷粉末通过预制成型，制成10-1000um的陶瓷颗粒粒料，经过高温烧结制成陶瓷颗粒；

2）将烧结形成的陶瓷颗粒放入反应罐中与钛酸酯偶联剂在指定30-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至80℃恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，提高与高分子聚合物具有很好结合力；

3）将复合陶瓷总体材料的重量的10%-40%高分子聚合物放入混合装置中，通过温控装置调节单组份高分子树脂温度，使粘度保持在500-2000cPs；再在真空高速搅拌的条件下，将经过表面改性处理的陶瓷颗粒逐步加入到高分子聚合物中，陶瓷颗粒的添加量为复合陶瓷总体材料的重量的60%-90%，在真空度为5-50mPa的条件下搅拌均匀后，静置脱泡10-20min，形成复合陶瓷混合料；

4）再将静置脱泡完成后的复合陶瓷混合料，通过静态混合管与固化剂混合，形成复合陶瓷预制料，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比；复合陶瓷混合料和固化剂混合前通过换热装置进行加热或冷却，使得混合完成后的复合陶瓷预制料温度为20℃-35℃；复合陶瓷预制料在真空条件下恒温储存于混料罐中；

5）将复合陶瓷预制料放入成型设备中，分二部进行二次烧结成型，第一步温度升高至45-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至，80-300℃恒温2-3h；制得复合陶瓷材料。

所制备出来的高耐磨复合陶瓷材料为70-80%的陶瓷材料的高耐磨复合陶瓷材料，高耐磨复合陶瓷材料中的陶瓷材料存在两种结合状态结合在一起；其中，一种是陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种陶瓷材料结合状态的高耐磨复合陶瓷材料。

实施例一和二的试验检测结果如下表。

表1、不同耐磨材料力学性能对比

表2、不同耐磨材料物理性能对比

本发明的有益效果：

本发明采用高分子材料中的化学键替代陶瓷内部离子键和共价键，改善陶瓷材料的韧性，通过向高分子材料中添加高耐磨陶瓷颗粒，使其形成耐磨复合陶瓷材料。与传统的陶瓷耐磨材料相比较，这种耐磨复合陶瓷材料可以用于制造尺寸更大的耐磨材料部件；生产流程简单，具有重量轻、硬度大，耐磨性能好的优点。具有以下一些优点：

1、采用高温烧制的微米级陶瓷颗粒，并以化学键部分替代陶瓷内部原有的离子键和共价键制成耐磨复合陶瓷材料的技术，大幅提高了陶瓷材料的韧性；

2、本发明的与传统的陶瓷耐磨材料相比较，这种复合陶瓷材料韧性更好，可以用于制造尺寸更大的耐磨材料部件，具有重量轻、硬度大，耐磨性能好的优点；

3、本发明采用单组份高分子材料与陶瓷颗粒进行混合的方式，充分利用了树脂的可操作时间，提高了生产效率；整个过程中采用真空对材料体系进行脱泡，有效的降低了成型后材料中的气孔或缺陷，大大提高了材料的力学性能及使用寿命；

4、本发明通过调节温度控制体系粘度，避免了对整个制造环境进行恒温，降低了能源消耗，同时保证了制造过程和产品质量的稳定性。

此外，本发明的耐磨复合陶瓷材料成型方法，采用单组份高分子材料与陶瓷颗粒进行混合的方式，充分利用了树脂的可操作时间，提高了生产效率；整个过程中采用真空对材料体系进行脱泡，有效的降低了成型后材料中的气孔或缺陷，大大提高了材料的力学性能及使用寿命；通过调节温度控制体系粘度，避免了对整个制造环境进行恒温，降低了能源消耗，同时保证了制造过程和产品质量的稳定性。

采用单组份高分子材料与陶瓷颗粒进行混合的方式，充分利用了树脂的可操作时间，提高了生产效率；整个过程中采用真空对材料体系进行脱泡，有效的降低了成型后材料中的气孔或缺陷，大大提高了材料的力学性能及使用寿命；通过调节温度控制体系粘度，避免了对整个制造环境进行恒温，降低了能源消耗，同时保证了制造过程和产品质量的稳定性。

Claims (15)

1.一种高耐磨复合陶瓷材料，高耐磨复合陶瓷材料以陶瓷材料为主体材料，且所述的高耐磨复合陶瓷材料中的陶瓷材料是以两种结合状态结合在一起；其中，一种是陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起，另一种是陶瓷材料之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成一种存在两种陶瓷材料结合状态的高耐磨复合陶瓷材料。

2.如权利要求1所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的陶瓷材料之间以离子键和共价键结合状态结合在一起是将2-5um的陶瓷微粉经过高温烧结所形成的陶瓷内部为离子键和共价键结合状态结合在一起的10-1000um的微米级陶瓷颗粒。

3.如权利要求1所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的陶瓷材料之间以化学键的方式结合在一起是将经过高温烧结的微米级陶瓷颗粒进行表面改性处理，再与高分子聚合物一起在低温条件下经过二次低温压制烧结，使得微米级陶瓷颗粒中有一部分经过表面改性处理的微米级陶瓷颗粒表面形成化学键结合在一起，形成陶瓷材料与陶瓷材料之间的部分为离子键和共价键结合状态结合在一起，部分通过高分子材料以化学键结合在一起。

4.如权利要求1或2所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的低温压制烧结是在80-300℃温度条件下进行二次烧结；先将高温烧结的微米级陶瓷颗粒逐步加入到粘度在500-2000cPs的高分子聚合物中，在真空高速搅拌的条件下，使得微米级陶瓷颗粒占整体物料的60-90%，形成微米级陶瓷颗粒紧靠在一起的预制料，并将预制料温度保持控制在20℃-35℃；再将预制料导入预热的成型模具中，并使模具温度高于预制料温度2-5℃，预制料充满模具后，将温度升高至45℃-50℃恒温1-2h，然后将温度升高至80℃-300℃恒温2-3h，进行二次低温烧结，使得预制料中的部分微米级陶瓷颗粒表面之间形成化学键结合在一起。

5.如权利要求4所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的表面改性处理是对高温烧结出来的微米级陶瓷颗粒的表面利用表面改性剂进行改性处理，使得微米级陶瓷颗粒之间的表面结合通过高分子聚合物的作用形成化学键结合。

6.如权利要求5所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的表面改性剂包括硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂，通过硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂对微米级陶瓷颗粒的表面进行改性处理，形成表面改性的微米级陶瓷颗粒，使得微米级陶瓷颗粒在二次低温烧结时能相互形成化学键结合。

7.如权利要求3所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的高分子聚合物包括聚氨酯体系、环氧体系中的一种单一组分，或两种及以上的混合物；高分子聚合物加入量占整体材料的10-40%。

8.如权利要求7所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的高分子聚合物为低粘度聚氨酯树脂；或由树脂部分和固化剂部分组成的热固性树脂体系，其中所述树脂部分由通用型环氧树脂和活性稀释剂组成，固化剂部分为改性胺类固化剂，树脂部分和固化剂部分按照100:1-40重量份量进行配比。

9.如权利要求1所述的高耐磨复合陶瓷材料，其特征在于：所述的陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、碳化硼或/和氧化铝粉末，且为微米级的粉末。

10.一种如权利要求1所述的高耐磨复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：先采用陶瓷微粉经过烧结形成微米级陶瓷颗粒，再对微米级陶瓷材料的表面进行改性处理，然后将表面处理后的微米级陶瓷材料与高分子聚合物混合，再进行低温二次烧结，制作成具有两种陶瓷材料结合结构的复合陶瓷材料。

11.如权利要求10所述的高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述的陶瓷微粉经过烧结形成陶瓷颗粒是采用3-4um的陶瓷粉末高温烧结形成粒径为20-100um的微米级陶瓷颗粒。

12.如权利要求11所述的高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述的对微米级陶瓷颗粒的表面进行改性处理是将烧制出来的微米级陶瓷颗粒与硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至70-90℃恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，使其与高分子聚合物具有很好结合力。

13.如权利要求10所述的高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述的将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物混合是将表面处理后的微米级陶瓷颗粒与高分子聚合物充分混合，并加入固化剂制成二次烧结预制料。

14.如权利要求10所述的高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述的低温二次烧结是将表面改性处理后的陶瓷颗粒与高分子聚合物混合，再经过低温80-300℃温度条件下进行再次烧结，使得部分陶瓷颗粒之间通过高分子聚合物发生化学反应，部分陶瓷颗粒之间通过高分子材料以化学键的方式结合在一起，形成复合陶瓷材料。

15.如权利要求10所述的高耐磨复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述的复合陶瓷材料制备方法包括如下步骤：

1）将微米级的陶瓷粉末通过预制成型，制成10-1000um的陶瓷颗粒粒料，经过高温烧结制成陶瓷颗粒；

2）将烧结形成的陶瓷颗粒放入反应罐中与硅氧烷偶联剂，或钛酸酯偶联剂在指定25-50℃温度条件下进行混合，混合均匀后，升温至70-90℃恒温1h，进行表面改性处理，使得陶瓷颗粒的表面一层形成羟基化处理层，提高与高分子聚合物具有很好结合力；

3）将复合陶瓷总体材料的重量的10%-40%高分子聚合物放入混合装置中，通过温控装置调节单组份高分子树脂温度，使粘度保持在500-2000cPs；再在真空高速搅拌的条件下，将经过表面改性处理的陶瓷颗粒逐步加入到高分子聚合物中，陶瓷颗粒的添加量为复合陶瓷总体材料的重量的60%-90%，在真空度为5-50mPa的条件下搅拌均匀后，静置脱泡10-20min，形成复合陶瓷混合料；

4）再将静置脱泡完成后的复合陶瓷混合料，通过静态混合管与固化剂混合，形成复合陶瓷预制料；复合陶瓷混合料和固化剂混合前通过换热装置进行加热或冷却，使得混合完成后的复合陶瓷预制料温度为20℃-35℃；复合陶瓷预制料在真空条件下恒温储存于混料罐中；

5）将复合陶瓷预制料放入成型设备中，分二部进行二次烧结成型，第一步将复合陶瓷预制料温度升高至45-50℃恒温1-2h，然后再将温度升高至，80-300℃恒温2-3h；制得复合陶瓷材料。

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