[发明专利]一种SiC/MCMBs复合材料及其制备方法和应用

说明书

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%。

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。