CN108774065B

CN108774065B - 一种SiC/MCMBs复合材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN108774065B
Application number: CN201810631138.XA
Authority: CN
Inventors: 黄政仁; 王晓洁; 姚秀敏; 刘学建; 刘泽华; 陈军军
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: CN108774065A

Abstract

本发明涉及一种SiC/MCMBs复合材料及其制备方法和应用，所述SiC/MCMBs复合材料包括SiC基体、以及分布在碳化硅基体中的中间相碳微球，所述中间相碳微球的含量为15～30wt%。

Description

一种SiC/MCMBs复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种SiC/MCMBs复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料领域。

背景技术

碳化硅材料由于具有优良的高温力学性能，超高的硬度及耐磨性能，良好的抗氧化性能和耐化学腐蚀性能，低热膨胀系数和高热传导率，优良的耐热冲击性以及热稳定性，使其被广泛应用于航天发动机燃烧室、喷嘴热交换器部件及高载荷长寿命窑具，机械密封器件、核燃料冷却堆包覆材料、精密轴承、气轮机转子等领域。近年来由于其优异的综合性能，碳化硅材料在机械密封和耐磨部件方面的巨大应用潜力逐渐引起了人们的重视，目前已获得了广泛的应用。然而，在一些特殊的工况下，如碳化硅材料应用于高温条件下的机械密封及耐磨部件时，由于使用过程中器件端面是互相接触并旋转的状态，要求材料具有良好的耐磨性能。但是，一般的润滑油在高温下失效，材料暴露于干摩擦或极少润滑的条件，由于单一碳化硅材料在干摩擦条件下具有较高的摩擦系数，这使材料在使用过程中很容易发生破坏，造成巨大损失。另外在一些行业，如碳化硅材料用于航空航天器件以及核电产业的机械密封部件时，往往是无法添加润滑介质的，同样要求材料在干摩擦条件下具有较低的摩擦系数，由于单一的碳化硅材料已经不能满足在这些特殊方面的应用，因此需要开发适用于以上工况的碳化硅复合材料。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有良好自润滑性能的同时、又具有高致密的机械密封及耐磨性能的碳化硅材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种SiC/MCMBs复合材料，所述SiC/MCMBs复合材料包括SiC基体、以及分布在碳化硅基体中的中间相碳微球，所述中间相碳微球的含量为15～30wt％。

本发明中，SiC/MCMBs复合材料包括SiC基体、以及分布在碳化硅基体中的中间相碳微球(Mesocarbon Microbeans，MCMBs)。其中，中间相碳微球具有独特的片层状堆叠结构，在干摩擦条件下能在SiC/MCMBs复合材料的工作表面形成润滑膜，显著降低了SiC/MCMBs复合材料的干摩擦条件下的摩擦系数。

较佳地，所述SiC/MCMBs复合材料还包括分布在碳化硅基体中的第三相，所述第三相为硼单质、硼化合物中的至少一种，含量不超过1wt％，优选为0.5～1.0wt％；优选地，所述硼化物为碳化硼。

又，较佳地，所述硼化物为碳化硼。

较佳地，所述SiC/MCMBs复合材料的致密度≥98％，抗折强度为≥380MPa，断裂韧性为≥5.60MPam^1/2，干摩擦系数为0.22≤μ≤0.31。

另一方面，本发明还提供了一种如上所述的SiC/MCMBs复合材料的制备方法，包括：

将中间相碳微球、碳化硅粉体、烧结助剂混合，得到原料粉体；

将所得原料粉体置于热压模具中，然后在保护气氛中、40～60MPa压力、2000～2200℃下热压烧结，得到所述SiC/MCMBs复合材料。

本发明中，将中间相碳微球(Mesocarbon Microbeans，MCMBs)和碳化硅(SiC)粉体，烧结助剂混合后的粉料装入热压模具(例如，优选高纯石墨热压模具等)中，然后在保护气氛中、40～60MPa压力、2000～2200℃下热压烧结，得到SiC/MCMBs复合材料。在热压烧结过程中，由于中间相碳微球具有良好的烧结收缩性能以及流动性，在压力和高温的作用下，中间相碳微球均匀的分布在所得SiC/MCMBs复合材料中。其中，中间相碳微球在烧结前为片状分子堆积成的球状颗粒，烧结后脱出小分子，剩余残余碳，但仍保持原有的层片结构。

较佳地，所述碳化硅粉体的粒径为0.5μm～2μm。

较佳地，所述中间相碳微球为未经石墨化处理的中间相碳微球生球，加入量为原料粉体总质量的15～30w％；优选地，所述中间相碳微球的粒径为5μm～10μm。

较佳地，所述烧结助剂为硼源，优选为硼单质、硼化合物中的至少一种，加入量占原料粉体总质量的0～1wt％，优选为0.5～1.0wt％；优选地，所述硼化物为碳化硼。

较佳地，所述保护气氛为真空或惰性气氛，所述惰性气氛为氩气。

再一方面，本发明还提供了一种如上所述的SiC/MCMBs复合材料在有限润滑和短时干摩擦工况条件中的应用。

本发明通过中间相碳微球的添加比例控制材料的微观结构和各项性能，使其应用于不同工况。该复合材料以碳化硅和中间相碳微球为主要原料，通过热压工艺制成。本发明所提供的中间相碳微球/碳化硅复合材料的制备方法，制备过程中没有液相的出现，避免了材料在高温环境中的损坏和坍塌。本发明所提供的中间相碳微球/碳化硅复合材料的制备方法，制备过程中没有游离硅的存在，提高了材料耐高温和耐腐蚀的性能，本发明的显著特征在于，由于采用具有良好流动性和自烧结活性的中间相碳微球，制备的复合材料各项均匀分布，材料具有较高的致密度和优良的机械性能。本发明所提供方法制备出的复合材料中碳微球分布广泛且均匀，且碳微球含量可控，材料机械性能较反应烧结材料高。

附图说明

图1为实施例1中添加15wt％中间相碳微球制备的SiC/MCMBs复合材料的微观形貌；

图2为实施例2中添加20wt％中间相碳微球制备的SiC/MCMBs复合材料的微观形貌；

图3为实施例3中添加25wt％中间相碳微球制备的SiC/MCMBs复合材料的微观形貌；

图4为实施例4中添加30wt％中间相碳微球制备的SiC/MCMBs复合材料的微观形貌。

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。

本公开中，SiC/MCMBs复合材料包括碳化硅基体和中间相碳微球，其中SiC/MCMBs复合材料的微观形貌为中间相碳微球均匀分布在碳化硅基体中，碳化硅晶粒尺寸和形貌可通过中间相碳微球含量调节。在可选的实施方式中，SiC/MCMBs复合材料中中间相碳微球含量为15wt％～30wt％。在该范围内，所述SiC/MCMBs复合材料在具有良好自润滑性能的同时，又具有高致密的机械密封及优异的耐磨性能。当中间相碳微球含量低于15wt％时，所得SiC/MCMBs复合材料材料虽然容易致密，但材料的在干摩擦条件下摩擦系数变高。当中间相碳微球含量超过30wt％时，SiC/MCMBs复合材料虽然摩擦系数虽然较低，但材料难以烧结致密，并且随着碳微球含量继续增多，材料主相变为碳微球，造成材料机械性能的恶化。

在本发明一实施方式中，采用具有独特自烧结活性以及良好流动性的中间相碳微球作为碳源，可得到高碳微球含量，高致密以及优良机械性能及电学性能的SiC/MCMBs复合材料。以下示例性地说明SiC/MCMBs复合材料的制备方法。

将中间相碳微球、碳化硅粉体、烧结助剂均匀混合，得到原料粉体。其中，中间相碳微球可采用市售的A-10。碳化硅粉体的粒径可为0.5μm～2μm。此外，还可以以水或无水乙醇作为混合溶剂，将原料经充分混合、烘干(烘干的温度40～60℃，时间为6～8小时和过100目筛)，得到原料粉体。或者，将以水或无水乙醇作为混合溶剂，将原料经充分混合，采用喷雾造粒的方式得到粒径合适的原料粉体。

在可选的实施方式中，烧结助剂可为硼源，优选为硼单质、硼化合物中的至少一种。其中，硼化物可为碳化硼。烧结助剂的加入量占原料粉体总质量的0～1.0wt％，优选为0.5～1.0wt％。

在可选的实施方式中，优选中间相碳微球为未经石墨化处理的碳微球生球。中间相碳微球的加入量可为原料粉体总质量的15～30w％。其中中间相碳微球的粒径可为5μm～10μm。

将原料粉体置于特制的热压模具(例如，石墨模具)中，经热压烧结工艺即得所述SiC/MCMBs复合材料。其中，热压烧结的保护气氛可为真空或惰性气氛。其中，惰性气氛为氩气。热压烧结的烧成温度可为2000～2200℃。热压烧结的压力可为40-60MPa。热压烧结的时间为1小时。

作为一个SiC/MCMBs复合材料制备方法的示例，包括：将中间相碳微球(Mesocarbon Microbeans,MCMBs)和碳化硅(SiC)粉体，烧结助剂混合，在原料粉体中加入无水乙醇后均匀搅拌，将充分混合的浆料干燥；将干燥后的粉料装入高纯石墨热压模具中，在2000～2200℃热压烧结，得到SiC/MCMBs复合材料。

作为一个SiC/MCMBs复合材料制备方法的详细示例，包括：1)采用具有烧结收缩性能的未经石墨化处理的中间相碳微球作为第二相，与碳化硅、硼源均匀混合得到原料粉体，以原料粉体的总质量为100％计，所述中间相碳微球能含量为15wt％～30wt％，烧结助剂的含量为0.5～1.0wt％；2)将步骤1)所得原料进行混合制得原料粉体；3)将步骤2)所得复合粉体置于特制石墨模具，经热压烧结工艺即得所述SiC/MCMBs复合材料。步骤1)中，中间相碳微球为未经石墨化处理的碳微球生球。步骤1)中，硼源为硼单质或硼化合物，作为烧结助剂。步骤2)中，采用水或无水乙醇作为混合溶剂，原料经充分混合后，烘干或喷雾造粒制备出原料粉体。步骤3)中，原料粉体直接装入特制石墨热压模具经高温，高压烧成。

本公开中，采用阿基米德法测得SiC/MCMBs复合材料的致密度≥98％。

本公开中，采用三点弯曲法测得SiC/MCMBs复合材料的抗折强度为≥380MPa。

本公开中，采用单边切口梁法测得SiC/MCMBs复合材料的断裂韧性为≥5.60MPam¹ ^/2。

本公开中，采用环块法(测试条件一般为49～98N载荷，200r/min)测得SiC/MCMBs复合材料的干摩擦系数为0.22≤μ≤0.31。

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。下述实施例和对比例中若无特殊说明，碳化硅粉体的粒径为0.5μm～2μm，所述中间相碳微球为荣碳科技有限公司生产的A-10，粒径为5μm～10μm。

实施例1

将碳化硅粉体、15wt％中间相碳微球和0.5wt％碳化硼等原料在无水乙醇中通过行星球磨机充分混合均匀，制备出浆料。然后在烘箱中60℃干燥8h，二次研磨后，过100目筛，得到原料粉体。将所制备的原料粉体装入石墨热压模具，在真空条件下，在40MPa、2000℃、1小时的条件下烧成。制备的复合材料两相均匀分布，碳化硅晶粒尺寸约2-10μm，致密度达99.3％。具体形貌见图1。

实施例2

将碳化硅粉体、20wt％中间相碳微球和0.6wt％碳化硼等原料在无水乙醇中通过行星球磨机充分混合均匀，制备出浆料。然后在烘箱中60℃干燥8h，二次研磨后，过100目筛，得到原料粉体。将所制备的原料粉体装入石墨热压模具，在真空条件下，在40MPa、2100℃、1小时的条件下烧成。制备的复合材料两相均匀分布，碳化硅晶粒较细，约1-5μm，致密度达98.4％。具体形貌见图2。

实施例3

将碳化硅粉体、25wt％中间相碳微球和0.6wt％碳化硼等原料在无水乙醇中通过行星球磨机充分混合均匀，制备出浆料。然后在烘箱中60℃干燥8h，二次研磨后，过100目筛，得到原料粉体。将所制备的原料粉体装入石墨热压模具，在真空条件下，在40MPa、2100℃、1小时的条件下烧成。制备的复合材料两相均匀分布，碳化硅晶粒较细，小于5μm，致密度达98.7％。具体形貌见图3。

实施例4

将碳化硅粉体、30wt％中间相碳微球和1wt％碳化硼等原料在无水乙醇中通过行星球磨机充分混合均匀，制备出浆料。然后在烘箱中60℃干燥8h，二次研磨后，过100目筛，得到原料粉体。将所制备的原料粉体装入石墨热压模具，在真空条件下，在氩气条件下50MPa、2200℃、1小时的条件下烧成。制备的复合材料两相均匀分布，碳化硅晶粒较细，小于3μm，致密度达98％。干摩擦条件下(98N载荷，200r/min)，材料的摩擦系数为0.31。具体形貌见图4。

实施例5

将碳化硅粉体、30wt％中间相碳微球和0.6wt％碳化硼等原料在无水乙醇中通过行星球磨机充分混合均匀，制备出浆料。然后在烘箱中60℃干燥8h，二次研磨后，过100目筛，得到原料粉体。将所制备的原料粉体装入石墨热压模具，在真空条件下，在氩气条件下60MPa、2100℃、1小时的条件下烧成。干摩擦条件下(98N载荷，200r/min)，材料的摩擦系数为0.22。干摩擦条件下(49N载荷，200r/min)材料的摩擦系数为0.25。材料致密度达98.3％。

Claims

1.一种SiC/MCMBs复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

将中间相碳微球、碳化硅粉体、烧结助剂混合，得到原料粉体，所述中间相碳微球为未经石墨化处理的碳微球生球，加入量为原料粉体总质量的15～30w%，所述烧结助剂为硼源，加入量占原料粉体总质量的1wt%以下；

将所得原料粉体置于热压模具中，然后在保护气氛中、40～60MPa压力、2000～2200℃下热压烧结，得到所述SiC/MCMBs复合材料；

所述SiC/MCMBs复合材料的致密度≥98%，干摩擦系数为0.22≤μ≤0.31。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅粉体的粒径为0.5μm～2μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中间相碳微球的粒径为5μm～10μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂为硼单质、硼化合物中的至少一种，加入量占原料粉体总质量的0.5～1.0wt%。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硼化物为碳化硼。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为真空或惰性气氛，所述惰性气氛为氩气。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备的SiC/MCMBs复合材料，其特征在于，所述SiC/MCMBs复合材料包括SiC基体、以及分布在碳化硅基体中的中间相碳微球，所述中间相碳微球的含量为15～30wt%；所述SiC/MCMBs复合材料的致密度≥98%，干摩擦系数为0.22≤μ≤0.31。

8.根据权利要求7所述的SiC/MCMBs复合材料，其特征在于，所述SiC/MCMBs复合材料还包括分布在碳化硅基体中的第三相，所述第三相为硼单质、硼化合物中的至少一种，含量不超过1wt%。

9.根据权利要求8所述的SiC/MCMBs复合材料，其特征在于，所述第三相的含量为0.5～1.0wt%。

10.根据权利要求8所述的SiC/MCMBs复合材料，其特征在于，所述硼化物为碳化硼。

11.根据权利要求7所述的SiC/MCMBs复合材料，其特征在于，所述SiC/MCMBs复合材料的抗折强度为≥380MPa，断裂韧性为≥5.60MPam^1/2。

12.一种如权利要求7-11中任一项所述的SiC/MCMBs复合材料在有限润滑和短时干摩擦工况条件中的应用。