[发明专利]一种碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环及其制备方法，所制备的密封磨环可用于高温、高压、高转速、强腐蚀等各种转速、压力、介质的动密封装置中，属于机械密封技术领域。

背景技术

机械密封磨环是一种广泛应用于机械密封装置中的动密封关键零件，直接关系到密封使用的可靠性、范围和寿命。其配置的机械密封大量用于航天、石油、化工、机械、食品、制药、汽车等各领域。早期的机械密封中硬质密封磨环，采用的硬质材料由钢材、氧化铝、金属陶瓷、硬质合金等组成，用这些硬质材料制作的密封磨环使用寿命短、可靠性差，而且使用局限，不能在某些腐蚀介质及高参数条件下使用。

之后又发展出反应烧结碳化硅陶瓷密封磨环，这种密封磨环是由不同粒径的碳化硅粉、石墨和添加剂配料组合而成，经过压制、预烧、车加工、终烧、磨加工、研磨等工序加工而成，烧结温度为1600℃，烧结时通过金属硅片溶融后渗入与坯体中碳反应生成新的碳化硅把坯体中碳化硅结合起来。它的密封性能较之钢材、氧化铝、金属陶瓷、硬质合金等材料有较大提高，但它的主要缺点是：一次性使用的渗硅不仅占用了炉子的有效空间，减少了产量，而且增加了工业废渣，影响环保；而且碳化硅游离硅含量高，不耐腐蚀，如果融合在食品、药品里面会影响食品安全；其综合机械物理指标较低，不能应用于高温、高压、强腐蚀的工况和某些介质的动密封，也不适用于食品药品行业。之后又发展出无压烧结碳化硅，它的特点是纯度高，性能大大优于反应烧结碳化硅，广泛地应用于各种要求更高的工况机泵中，虽然满足了大部分要求，但对高温、高压、强腐蚀工况和介质更高要求工况，以上二种碳化硅陶瓷密封环又不能适应，尤其是其脆性与抗热冲击性更不适应。

发明内容

本发明提供了一种具有较高的断裂韧性和弯曲强度且可应用于高温、高压、强腐蚀工况和介质的碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环及其制备方法。

为实现以上目的，本发明提供了一种碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环，其特征在于，其原料包括：亚微米碳化硅85.0～95.0重量份，水溶性粘结剂1.0～20.0重量份，分散剂0.1～5.0重量份，纳米碳管0.5～10.0重量份，以及纳米碳化硼0.5～9.0重量份、纳米硼化钛0.5～10.0重量份、纳米碳化钛0.5～10.0重量份、纳米氧化铝4.0～10.0重量份和纳米氧化钇4.0～10.0重量份中的至少一种，所述的分散剂为重量比为5～15∶1的乙醇和四甲基氢氧化氨的混合物。

优选地，所述的亚微米碳化硅的平均粒径(D₅₀)为400～600纳米，纯度为99.5wt％以上。

优选地，所述的纳米碳化硼、纳米碳管、纳米硼化钛、纳米碳化钛、纳米氧化铝和纳米氧化钇的平均粒径为200纳米以下，纯度为99.5wt％以上。

优选地，所述的水溶性粘结剂为水溶性酚醛树脂、PVA、PEG和糊精中一种或几种，其纯度为95.0wt％以上。

本发明还提供了上述碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环的制备方法，包括将各原料分散成浆料，喷雾造粒，干压或等静压成型，再进行气氛烧结制成碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环，其特征在于，所述的将各原料分散成浆料的具体步骤为将除分散剂外的各原料按比例混合，添加去离子水，加入分散剂，均匀分散制备成浓度为40～55wt％的浆料。

优选地，所述的均匀分散是在超声波分散和强力搅拌的至少一种作用下进行。

优选地，所述的碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环的外径为4mm-500mm。

所述的喷雾造粒、干压或等静压、气氛烧结等工艺过程是参照公知的无压烧结碳化硅的常规制备方法；主要控制喷雾造粒时的进出口温度、浆料的压力或离心机转速，以获得合适的的水含量及颗粒大小的造粒粉，通过干压或等静压成型压力调整以控制素坯密度，通过气氛烧结升温、保温控制烧结密度。

纳米碳管是近十年新发现的新材料，它具有独特结构，直径方向达到几个纳米到十几纳米，而长度方向可以达到几百到上千纳米，因此，它除了保持碳原有的耐磨、具有自润滑性外，还象碳纤维一样具有高强度、高弹性模量和导电性等特殊性能。根据纳米复合增韧原理，在碳化硅基体中加入纳米碳管或者再加入其它纳米粒子，使他们分布在晶界、晶内中，产生桥联或提高晶界应力，从而使基体的强度与韧性，同时又提高自润滑性。本发明根据纳米碳管复合增强、增韧的原理，实现在碳化硅-纳米碳管复合增韧密封磨环的制备与应用上。

与现有技术相比，本发明的优点是：