本發明屬于復合材料和工程陶瓷材料領域，特別涉及了一種彌散強化陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術：
離心泵作為流體輸送的關鍵設備，其材料主要有鑄鋼、不銹鋼、金屬襯橡膠和金屬襯陶瓷，雖然耐磨雙相不銹鋼因其材料強度高塑性好，但是在長時間輸送具有腐蝕性固液介質時因材料的耐蝕性和耐磨性能差，造成流體輸送設備損耗較大，不僅使生產成本提高，而且易產生安全隱患。為解決此問題，常采用襯橡膠或襯陶瓷的方法，但受橡膠和陶瓷材料使用壽命、易脫落和易堵塞噴嘴等缺點影響，亟待開發具有強抗磨損、抗腐蝕和耐高溫等性能的金屬基復合新材料及其相關制備技術。
隨著陶瓷功能材料應用領域的不斷擴展，促進了材料制備技術的發展，陶瓷材料的脆性和與金屬的附著能也顯著改善，使其在某些特殊工業領域凸顯出卓越的發展潛力，這為輸送具有固體顆粒的腐蝕性流體關鍵設備的選材帶來了契機。鑒于此，本專利開發出一種適合于苛刻介質條件下離心泵用陶瓷復合材料的制備技術，即一種高性能金屬表面原位控制彌散強化陶瓷復合材料制備的新方法。采用本專利技術制備的金屬基陶瓷泵用復合材料可以處理含氯化物的腐蝕性固液流體，其中氯離子含量≤15％，腐蝕性流體中固相含量≤20％，溫度≤260℃；此外，采用本專利技術制備的復合材料具有硬度高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化和熱穩定性好的特點，可廣泛應用于化工、能源和制藥等領域，這對于我國金屬基陶瓷復合材料制備技術的提高具有重要的現實意義。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供了一種彌散強化陶瓷復合材料及其制備方法，該復合材料由碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬纖維和復合粘結劑通過真空混合、真空振動澆注成型和低溫固化等過程制備而成，是一種高性能金屬表面原位控制彌散強化陶瓷復合材料制備及其制備方法。
本發明的彌散強化陶瓷復合材料，由碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬纖維和復合粘合劑復合而成，所述的陶瓷復合材料中，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬纖維和復合粘合劑相互交織分布；其中：
碳化硅由1～3mm多面體碳化硅顆粒、500～400μm多面體碳化硅顆粒、10～30μm球形碳化硅和90～100nm球形納米碳化硅組成；硫酸鈣晶須，其直徑為0.5～1.5μm，長徑比為90～110；金屬纖維，其直徑為7～10μm，長度為0.8～2.4mm；復合粘結劑，由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，環氧樹脂的質量百分含量為75～99％，星型嵌段共聚物1～25％；
按質量比，1～3mm多面體碳化硅顆粒∶400～500μm多面體碳化硅顆粒∶10～30μm球形碳化硅∶90～100nm球形納米碳化硅∶硫酸鈣晶須∶金屬纖維∶復合粘結劑＝(5～30)∶(5～30)∶(5～20)∶(1～5)∶(1～10)∶(0.5～5)∶(15～30)。
所述的星型嵌段共聚物由亞乙烯基多胺、聚合丙烯酸嵌段和聚丙烯烴嵌段制備而成；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為1～5％，聚合丙烯酸嵌段為20～80％，聚丙烯烴嵌段為15～79％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
所述的亞乙烯基多胺的分子量為100～300，聚合丙烯酸嵌段的分子量為1000～5000，聚丙烯烴嵌段的分子量為1000～5000，星型嵌段共聚物的分子量為3450～3550。
所述的陶瓷復合材料，金屬纖維為鈦纖維。
所述的陶瓷復合材料中的氣孔體積百分比≤0.01％。
所述的陶瓷復合材料，其熱膨脹系數為13.0×10-6～14.0×10-6/k-1，抗折強度可以達到92～100MPa，抗壓強度176～188MPa，斷裂延伸率為0.1～0.2％。
所述的陶瓷復合材料，其比重≤2.6。
所述的陶瓷復合材料，與其結合的金屬材料為不銹鋼、鑄鋼或球墨鑄鐵；結合后以金屬為基體的連續相，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬纖維為第二相組成的復合材料，碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬纖維相互交織彌散在金屬表面。
所述的陶瓷復合材料，與金屬基體結合后的使用溫度≤260℃。
本發明的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，真空混合：
將碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬纖維和復合粘合劑，在真空條件下，混合均勻，制得漿料；其中：
碳化硅由1～3mm多面體碳化硅顆粒、500～400μm多面體碳化硅顆粒、10～30μm球形碳化硅和90～100nm球形納米碳化硅組成；
硫酸鈣晶須，其直徑為0.5～1.5μm，長徑比為90～110；
金屬纖維，其直徑為7～10μm，長度為0.8～2.4mm；
復合粘結劑，由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，環氧樹脂的質量百分含量為75～99％，星型嵌段共聚物1～25％；
按質量百分含量，碳化硅質量百分含量+硫酸鈣晶須質量百分含量+金屬纖維質量百分含量+復合粘合劑質量百分含量＝100％；1～3mm多面體碳化硅顆粒：5～30％，400～500μm多面體碳化硅顆粒：5～30％，10～30μm球形碳化硅：5～20％，90～100nm球形納米碳化硅1～5％；硫酸鈣晶須：1～10％；金屬纖維：0.5～5％，復合粘結劑：15～30％；
步驟2，真空振動澆注成型：
將漿料，在真空下，振動澆注至模具中；
步驟3，固化成型：
將模具與澆注漿料，加熱至60～160℃，進行固化，固化時間為6～12h，制得彌散強化陶瓷復合材料。
上述的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法中：
所述步驟1中，多面體碳化硅顆粒為帶有棱角的碳化硅顆粒。
所述步驟1中，長徑比是指硫酸鈣晶須的長與其直徑的比。
所述步驟1中，1～3mm多面體碳化硅顆粒，是指多面體碳化硅顆粒平均直徑為1～3mm的多面體碳化硅顆粒；500～400μm多面體碳化硅顆粒，是指多面體碳化硅顆粒平均直徑為500～400μm的多面體碳化硅顆粒；10～30μm球形碳化硅，是指平均直徑為10～30μm的球形碳化硅；90～100nm球形碳化硅，是指平均直徑為90～100nm的球形碳化硅；采用粒度分析儀測試的結果。
所述步驟1中，金屬纖維為鈦纖維。
所述步驟1中，金屬纖維帶有鈍化膜。
所述步驟1中，星型嵌段共聚物由亞乙烯基多胺、聚合丙烯酸嵌段和聚丙烯烴嵌段制備而成；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為1～5％，聚合丙烯酸嵌段為20～80％，聚丙烯烴嵌段為15～79％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
所述的亞乙烯基多胺的分子量為100～300，聚合丙烯酸嵌段的分子量為1000～5000，聚丙烯烴嵌段的分子量為1000～5000，星型嵌段共聚物的分子量為3450～3550。
所述步驟l中，真空度20～200Pa。
所述步驟1中，采用攪拌使物料混合均勻，攪拌轉數為20～100r/min，混合時間為10～120min，
所述步驟1，將各個物料置于混合反應器中，在真空條件下，進行攪拌混合。
所述步驟2中，真空度為60～180Pa。
所述步驟2中，漿料為脫氣后的漿料。
所述步驟2中，澆注的模具腔體由要與其結合的金屬基體和內芯或外框組成。
所述步驟2中，振動頻率為10～50Hz。
本發明彌散強化陶瓷復合材料及其制備方法，主要過程的基本原理如下：
利用碳化硅陶瓷材料自有高硬度、高耐磨性、高耐蝕性、高磨削能力、耐高溫性、抗熱震性等優異性能，并借助硫酸鈣晶須和超細金屬纖維強韌性高、穩定性和抗熱震性好等特點進行復合陶瓷材料的補強增韌，通過真空混合、真空振動澆注成型和低溫固化反應工藝，在金屬表面進行陶瓷復合材料的原位控制，并利用超細粉體材料、無機晶須和超細金屬纖維材料特性，在金屬基陶瓷復合材料中實現彌散強化作用，以改善單一碳化硅基陶瓷材料綜合力學性能不足的問題，本專利旨在獲得一種具有硬度高、彈性模量大和摩擦系數小的工程陶瓷新材料，并且該材料還要具有較高的使用溫度、高耐磨損性、較強耐腐蝕性能、較高的抗彎強度和斷裂韌性能，以及自潤滑性能等性能指標。
本發明以不同粒徑和形態的碳化硅、硫酸鈣晶須和金屬纖維等材料為添加劑，配以復合粘合劑，通過適宜的工藝制度，制備出彌散強化陶瓷復合材料，澆注與固化后，與金屬基體結合后形成的金屬基復合材料，是以金屬為基體，在其表面復合陶瓷材料，是以金屬為基體的連續相，而不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬超細纖維為第二相組成的復合材料；在制備過程中采用真空混合和真空振動澆注方式，不僅實現了第二相粒子在復合材料中的彌散強化作用，而且還可以實現復合材料內部的無氣孔控制，從而使其導熱性能、耐磨性能和綜合力學性能顯著提高，不僅橫向剪切強度高，而且韌性、抗疲勞強度和強塑性等力學性能好，同時還具有導熱、耐磨、抗熱震性和耐腐蝕等優點。可以在260℃下正常使用，這種金屬基復合材料的比重僅為鋼鐵材料的1/3，為鈦合金的2/3，與鋁合金相近，但它的耐磨性和耐腐蝕性是不銹鋼的8倍，復合強度是普通碳化硅金屬基復合材料的3倍；從而使這種金屬基陶瓷復合材料具有高硬度和高耐磨性、耐化學腐蝕、抗氧化、熱膨脹系數與金屬相近等優異的性能，同時，易于低溫成型處理，且與金屬基體附著力強，氣孔率極低。
本發明的彌散強化陶瓷復合材料及其制備方法，與現有技術相比，有益效果為：
本發明能夠有效解決較高腐蝕性的固液介質在輸送時對泵體材料的磨損和腐蝕問題，不僅為金屬基陶瓷復合材料的制備提供了一種新方法，而且為高腐蝕性固液流體的輸送設備提供了一種性能優異的新材料。采用本專利技術制備的復合材料具有與金屬基體附著力強、硬度高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化和抗熱沖擊好等特點，可廣泛應用于化工、制藥和造紙等領域，利用該陶瓷材料制備的金屬基陶瓷泵不僅可以顯著延長設備使用壽命，還可以降低生產成本，減少維護費用，提高流體輸送過程中的生產安全性和可靠性；這對于提高我國高耐蝕性和高溫固液混合流體輸送的關鍵設備開發及材料制備技術具有重要的現實意義。
附圖說明
圖1本發明實施例1～4的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法的工藝流程圖。
具體實施方式
以下實施例的實施例1～4的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法的工藝流程圖如圖1所示。
實施例1
一種彌散強化陶瓷復合材料，由碳化硅、硫酸鈣晶須、表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維和復合粘合劑復合而成，所述的陶瓷復合材料中，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維和復合粘合劑相互交織分布；其中：
按質量比，1.5mm±0.5mm多面體碳化硅顆粒∶450μm±50μm多面體碳化硅顆粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶100nm球形納米碳化硅∶長徑比為100和直徑為1μm的硫酸鈣晶須∶直徑8μm和長度1mm表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維∶復合粘結劑＝30∶5∶20∶5∶10∶5∶15；
所述的復合粘結劑由由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，按質量比，環氧樹脂∶星型嵌段共聚物＝99∶1；所述星型嵌段共聚物由分子量為300的亞乙烯基多胺、分子量為1000聚合丙烯酸嵌段和分子量為5000聚丙烯烴嵌段制備而成；星型嵌段共聚物的分子量為3450；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為1％，聚合丙烯酸嵌段為20％，聚丙烯烴嵌段為79％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
上述的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法，包括如下步驟：所述的
步驟1，真空混合：
按上述彌散強化陶瓷復合材料中的成分配比，將不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須、金屬鈦纖維和復合粘合劑置于混合反應器中，在真空度為200Pa條件下，攪拌混合均勻，攪拌轉數為20r/min，混合時間為120min，制得漿料；
步驟2，真空振動澆注成型：
將漿料，在真空度為180Pa條件下，振動澆注至模具中；其中，振動頻率為20Hz，澆注的模具腔體由要與其結合的金屬基體不銹鋼和外框組成；
步驟3，固化成型：
將模具與澆注漿料，加熱至60℃，進行固化，固化時間為12h，制得彌散強化陶瓷復合材料。
本實施例制備的彌散強化陶瓷復合材料，所述的陶瓷復合材料中的氣孔體積百分比≤0.01％。
本實施例制備的陶瓷復合材料，與其結合的金屬材料為不銹鋼；結合后以金屬為基體的連續相，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維為第二相組成的復合材料，碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維相互交織彌散在金屬表面。
本實施例制備出的金屬基陶瓷復合材料的耐溫性能可以達到200℃、耐磨性與普通耐磨合金鋼相比提高6倍、熱膨脹系數為14.0×10-6/k-1、抗折強度可以達到100MPa、抗壓強度188MPa，斷裂延伸率可以達到0.2％。
實施例2
一種彌散強化陶瓷復合材料，由碳化硅、硫酸鈣晶須、表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維和復合粘合劑復合而成，所述的陶瓷復合材料中，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維和復合粘合劑相互交織分布；其中：
按質量比，2.5mm±0.5mm多面體碳化硅顆粒∶450μm±50μm多面體碳化硅顆粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形納米碳化硅∶長徑比為90和直徑為1.5μm的硫酸鈣晶須∶直徑10μm和長度1.2mm表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維∶復合粘結劑＝5∶30∶20∶1∶5∶5∶30；
所述的復合粘結劑由由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，按質量比，環氧樹脂∶星型嵌段共聚物＝75∶25；所述星型嵌段共聚物由分子量為300的亞乙烯基多胺、分子量為5000聚合丙烯酸嵌段和分子量為1000聚丙烯烴嵌段制備而成；星型嵌段共聚物的分子量為3550；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為5％，聚合丙烯酸嵌段為80％，聚丙烯烴嵌段為15％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
上述的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，真空混合：
按上述彌散強化陶瓷復合材料中的成分配比，將不同形態的碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬鈦纖維和復合粘合劑置于混合反應器中，在真空度為20Pa條件下，攪拌混合均勻，攪拌轉數為100r/min，混合時間為10min，制得漿料；
步驟2，真空振動澆注成型：
將漿料，在真空度為60Pa條件下，振動澆注至模具中；其中，振動頻率為30Hz，澆注的模具腔體由要與其結合的金屬基體鑄鋼和內芯組成；
步驟3，固化成型：
將模具與澆注漿料放入固化爐中，加熱至160℃，進行固化，固化時間為6h，制得彌散強化陶瓷復合材料。
本實施例制備的彌散強化陶瓷復合材料，所述的陶瓷復合材料中的氣孔體積百分比≤0.01％。
本實施例制備的陶瓷復合材料，與其結合的金屬材料為鑄鋼；結合后以金屬為基體的連續相，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維為第二相組成的復合材料，碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維相互交織彌散在金屬表面。
本實施例制備出的金屬基陶瓷復合材料的耐溫性能可以達到260℃、耐磨性與普通耐磨合金鋼相比提高5.4倍，熱膨脹系數為13.0×10-6/k-1，抗折強度可以達到95MPa，抗壓強度176MPa，斷裂延伸率可以達到0.2％。
實施例3
一種彌散強化陶瓷復合材料，由碳化硅、硫酸鈣晶須、表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維和復合粘合劑復合而成，所述的陶瓷復合材料中，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維和復合粘合劑相互交織分布；其中：
按質量比，2mm±0.5mm多面體碳化硅顆粒∶450μm±50μm多面體碳化硅顆粒∶15μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形納米碳化硅∶長徑比為110和直徑為0.5μm的硫酸鈣晶須∶直徑7μm和長度2.4mm表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維∶復合粘結劑＝15∶15∶10∶3∶10∶0.5∶25；
所述的復合粘結劑由由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，按質量比，環氧樹脂∶星型嵌段共聚物＝85∶15；所述星型嵌段共聚物由分子量為200的亞乙烯基多胺、分子量為3000聚合丙烯酸嵌段和分子量為3500聚丙烯烴嵌段制備而成；星型嵌段共聚物的分子量為3500；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為3％，聚合丙烯酸嵌段為50％，聚丙烯烴嵌段為47％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
上述的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，真空混合：
按上述彌散強化陶瓷復合材料中的成分配比，將不同形態的碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬鈦纖維和復合粘合劑置于混合反應器中，在真空度為100Pa條件下，攪拌混合均勻，攪拌轉數為60r/min，混合時間為80min，制得漿料；
步驟2，真空振動澆注成型：
將漿料，在真空度為100Pa條件下，振動澆注至模具中；其中，振動頻率為30Hz，澆注的模具腔體由要與其結合的金屬基體球墨鑄鐵和外框組成；
步驟3，固化成型：
將模具與澆注漿料，加熱至100℃，進行固化，固化時間為8h，制得彌散強化陶瓷復合材料。
本實施例制備的彌散強化陶瓷復合材料，所述的陶瓷復合材料中的氣孔體積百分比≤0.01％。
本實施例制備的陶瓷復合材料，與其結合的金屬材料為球墨鑄鐵；結合后以金屬為基體的連續相，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維為第二相組成的復合材料，碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維相互交織彌散在金屬表面。
本實施例制備出的金屬基陶瓷復合材料的耐溫性能可以達到200℃、耐磨性與普通耐磨合金鋼相比提高5.8倍，熱膨脹系數為13.8×10-6/k-1，抗折強度可以達到98MPa，抗壓強度180MPa，斷裂延伸率可以達到0.2％。
實施例4
一種彌散強化陶瓷復合材料，由碳化硅、硫酸鈣晶須、表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維和復合粘合劑復合而成，所述的陶瓷復合材料中，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維和復合粘合劑相互交織分布；其中：
按質量比，2mm±0.5mm多面體碳化硅顆粒∶450μm±50μm多面體碳化硅顆粒∶25μm±5μm球形碳化硅∶90nm球形納米碳化硅∶長徑比為100和直徑為0.8μm的硫酸鈣晶須∶直徑9μm和長度1.8mm表面附有鈍化膜的金屬鈦纖維∶復合粘結劑＝10∶20∶20∶2∶5∶3∶15；
所述的復合粘結劑由由環氧樹脂和星型嵌段共聚物組成，按質量比，環氧樹脂∶星型嵌段共聚物＝90∶10；所述星型嵌段共聚物由分子量為200的亞乙烯基多胺、分子量為2000-聚合丙烯酸嵌段和分子量為4000聚丙烯烴嵌段制備而成；星型嵌段共聚物的分子量為3580；制備時，三者的質量百分含量分別為：亞乙烯基多胺為4％，聚合丙烯酸嵌段為30％，聚丙烯烴嵌段為66％；亞乙烯基多胺作為起始劑。
上述的彌散強化陶瓷復合材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，真空混合：
按上述彌散強化陶瓷復合材料中的成分配比，將不同形態的碳化硅、硫酸鈣晶須、金屬鈦纖維和復合粘合劑置于混合反應器中，在真空度為50Pa條件下，攪拌混合均勻，攪拌轉數為100r/min，混合時間為45min，制得漿料；
步驟2，真空振動澆注成型：
將漿料，在真空度為180Pa條件下，振動澆注至模具中；其中，振動頻率為50Hz，澆注的模具腔體由要與其結合的金屬基體不銹鋼和內芯組成；
步驟3，固化成型：
將模具與澆注漿料，加熱至160℃，進行固化，固化時間為10h，制得彌散強化陶瓷復合材料。
本實施例制備的彌散強化陶瓷復合材料，所述的陶瓷復合材料中的氣孔體積百分比≤0.01％。
本實施例制備的陶瓷復合材料，與其結合的金屬材料為不銹鋼；結合后以金屬為基體的連續相，不同形態的碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維為第二相組成的復合材料，碳化硅顆粒、硫酸鈣晶須和金屬鈦纖維相互交織彌散在金屬表面。
本實施例制備出的金屬基陶瓷復合材料的耐溫性能可以達到260℃、耐磨性與普通耐磨合金鋼相比提高5.9倍、熱膨脹系數為13.2×10-6/k-1，抗折強度可以達到92MPa，抗壓強度185MPa，斷裂延伸率可以達到0.2％。