[发明专利]一种氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化物陶瓷(氧化铝，部分稳定氧化锆及氧化铝增强氧化锆、氧化锆增韧氧化铝陶瓷)是传统的结构陶瓷，具有高硬度、高强度、低密度、高刚度、优异的化学稳定性，对于航空航天结构材料降低结构重量和提高飞行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极为重要的作用，但在高温下摩擦性能差，摩擦系数和磨损率都很高。

氧化物陶瓷的摩擦系数强烈依赖于服役条件，在室温下摩擦系数在0.2-0.4之间，磨损率为10^-6mm³/N·m。当服役条件在400℃以上时，摩擦系数达0.8-1.5，磨损率为10^-4-10^-3mm³/N·m，摩擦性能很差。鉴于氧化物陶瓷摩擦磨损性能差的现状，研究人员进行了大量的研究，通过在氧化物陶瓷中引入增韧相来提高氧化物陶瓷陶瓷的摩擦磨损性能，一般添加的增韧相为ZrO₂、SiC或Ti(CN)等，虽然一定程度上提高了氧化物陶瓷基材料的摩擦磨损性能，但是仍不理想。另外，现有制备氧化物陶瓷基材料的制备工艺烧结温度较高，在制备复合材料时，不利于材料的烧结致密。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有氧化物陶瓷基陶瓷材料在室温至760℃的广域温度下摩擦磨损性能差，及现有制备工艺烧结温度高的问题，本发明提供了一种氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料及其制备方法。

本发明一种氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料按体积百分比由20％～50％氧化物陶瓷相、30％～60％碱土金属硫酸盐相和5％～25％银相组成。本发明氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按体积百分比将20％～50％的氧化物陶瓷粉、30％～60％的碱土金属硫酸盐粉和5％～25％的银粉装入耐磨球磨罐中，再向耐磨球磨罐中加入无水乙醇和氧化物陶瓷磨球，以100～150转/分钟的速率球磨湿混10～15h，其中，无水乙醇的加入量为氧化物陶瓷粉、碱土金属硫酸盐粉和银粉总质量的1～3倍，氧化物陶瓷粉、碱土金属硫酸盐粉和银粉的总质量与氧化物陶瓷磨球的质量比为1∶3～4；二、将球磨湿混后的混合粉体在80～100℃下烘干后过40目筛，然后将过筛后的均匀细粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具，再对石墨模具进行冷压处理，保持施加在石墨模具上的压强为30～50MPa，保压时间为2～5min；三、将冷压处理后的石墨模具放入放电等离子烧结炉进行烧结，石墨模具上施加的压强与步骤二中冷压处理所用的压强相同，烧结温度900～1100℃，保温时间2～5min，最后随炉冷却即得氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料。

本发明将具有良好润滑性的碱土金属硫酸盐引入氧化物陶瓷基复合材料中，碱土金属硫酸盐以颗粒形式均匀分散在氧化物陶瓷基复合材料。在服役时，由于与接触部件间的摩擦，碱土金属硫酸盐被磨球碾压，然后在摩擦表面形成一层碱土金属硫酸盐薄膜，提高了氧化物陶瓷基复合材料的摩擦磨损性能，银相的引入，使得氧化物陶瓷相、碱土金属硫酸盐相和银相三者之间的结合更加紧密。本发明氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料室温下的摩擦系数在0.05～0.2，760℃高温下的摩擦系数在0.18～0.25，均低于现有氧化物陶瓷陶瓷材料的摩擦系数，尤其在高温下摩擦系数的降低更为明显；氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料在室温下和760℃高温下的磨损率均小于10^-6mm³/N·m数量级。本发明制得的氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料在室温-200℃-400℃-600℃-700℃循环摩擦试验中也表现出良好的摩擦磨损性能，室温下摩擦系数低于0.2，700℃高温下摩擦系数低于0.38，磨损率保持在10^-5mm³/N·m数量级。

本发明的制备方法工艺简单，耗时短，烧结温度低，制备得到的氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料摩擦磨损性能好，760℃高温下仍具有很低的摩擦系数和磨损率。本发明采用放电等离子烧结(SPS)工艺，提高了烧结过程中的升温速率和降温速率，缩短了生产周期，提高了生产效率，同时提高了陶瓷复合材料的致密度，降低了粗糙度。

本发明氧化物陶瓷/碱土金属硫酸盐/银复合材料可广泛应用于航空航天结构件中。

附图说明