[发明专利]一种导电陶瓷复合材料的低温烧结方法及其产品和应用

说明书

本发明公开了一种导电陶瓷复合材料的低温烧结方法：(1)将原料3YSZ、TiN按化学组成进行配料，再添加烧结助剂，加入去离子水湿法球磨后烘干；(2)将步骤(1)球磨烘干后的粉料在真空气氛和压力为60～90MPa下进行烧结，烧结温度小于等于1000℃，得到烧结产物；(3)打磨去除烧结产物表面的碳箔后，得到导电陶瓷复合材料。本发明还公开了上述低温烧结方法制备得到的导电陶瓷复合材料及其在受电弓滑板上的应用。该烧结方法实现了导电陶瓷复合材料的低温致密烧结，有效减少了烧结时间，降低了制备成本；且制备的导电陶瓷复合材料具有优异的导电性能和力学性能。

技术领域

本发明涉及一种导电陶瓷复合材料的低温烧结方法及其应用，属于陶瓷复合材料及其制造工艺。

背景技术

随着信息时代的不断发展，出行方式的先进化，我国电力机车的发展速度正逐年加快。电力机车中的弓网系统是电气化列车运行的主要动力来源，它主要由受电弓和接触网两部分构成，其中安装在受电弓最上端，直接与接触网导线接触的受电弓滑板是电力机车从供电接触网获取电能的关键部件。受电弓滑板与接触网导线构成—对机械与电气耦合的特殊摩擦副，两者通过接触点耦合在一起，既存在着机械作用，又存在着电气作用。在列车运行中，滑板会与接触网导线不断产生冲击和摩擦，因此对选用的滑板材料的综合性能有着严格的要求：1.电阻率小(≤40μΩ·m)、导电性好；2.减磨性、耐磨性好；3.强度、韧性适当高。

以ZrO₂为基体的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)是一种优异的工程陶瓷，当氧化钇(Y₂O₃)的摩尔分数为3mol％时，形成钇稳定四方相氧化锆(3YSZ)，材料的相对密度、硬度、抗弯强度等综合力学性能同时达到最大值。由于3YSZ具有高强度、断裂韧性和耐磨性，在各种结构和功能领域中得到了广泛的应用。

TiN与工程陶瓷具有良好的可相容性，并具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损以及良好的导电性、导热性等一系列优点，其电阻率低至2.5×10^-7Ω·m以及硬度达17.2GPa。将导电增强材料TiN掺入3YSZ陶瓷材料中作为第二相材料，能有效提高断裂韧性及导电性，可制成新型的导电陶瓷复合材料，并有望用作受电弓滑板材料。

为了实现3YSZ-TiN导电陶瓷体系的低温烧结，可采用放电等离子体烧结来制备。随着烧结技术的发展，放电等离子体烧结技术利用通-断直流脉冲电压，产生的脉冲电流在粉末颗粒间流通，激发出瞬时的等离子体，使颗粒表面活化，烧结试样内部每个颗粒自身发热，从而提高了晶界扩散速率，最终通过晶粒的滑动促进致密化。此外，氧化硼(B₂O₃)的熔点较低，是良好的烧结助剂，可在烧结过程中熔化形成液相，促进烧结，降低烧结温度。

因此，研究可低温烧结的高性能导电陶瓷复合材料对其工业化生产具有重要的指导意义，并有望开发低成本、高性能的受电弓滑板材料。

发明内容

本发明提供了一种导电陶瓷复合材料的低温烧结方法及其产品和应用，通过添加适量烧结助剂B₂O₃以及通过放电等离子体烧结的方法，降低了该导电陶瓷复合材料的烧结温度，实现了能在1000℃下致密化烧结的导电陶瓷复合材料。

本发明提供如下技术方案：

一种导电陶瓷复合材料的低温烧结方法，包括以下步骤：

(1)将原料3YSZ、TiN按化学组成进行配料，再添加烧结助剂，加入去离子水湿法球磨后烘干；

(2)将步骤(1)球磨烘干后的粉料在真空气氛和压力为60～90MPa下进行烧结，烧结温度小于等于1000℃，得到烧结产物；

(3)打磨去除烧结产物表面的碳箔后，得到导电陶瓷复合材料。

在步骤(1)中，所述3YSZ、TiN按化学组成为3YSZ-x wt.％TiN进行配料，其中30≤x≤40。