一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超硬復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石是迄今為止已知的世界上最硬的材料，是一種獲得工業(yè)應(yīng)用的重要超硬材料。金剛石廣泛應(yīng)用于磨料、磨具和刀具材料。但是，金剛石主要以復(fù)合材料形態(tài)獲得應(yīng)用，具體的是把金剛石與金屬、陶瓷或樹脂等基體復(fù)合制備成復(fù)合材料。其中，陶瓷基體金剛石復(fù)合材料近年來發(fā)展迅速，以陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪為例，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪是目前發(fā)展比較迅速的一種超硬材料磨具，與樹脂結(jié)合劑磨具相比其形狀保持性好、加工尺寸精度高；與金屬結(jié)合劑磨具相比，其具有砂輪易于修整、磨削時不易堵塞及不易燒傷工件等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的主要品種有砂輪、油石、研磨條、磨盤和磨頭等。這些金剛石復(fù)合材料制品已在工具、汽車、軸承、機(jī)床、航天、軍工等行業(yè)中得到了不同程度的應(yīng)用。但是，陶瓷結(jié)合劑磨具發(fā)展緩慢、產(chǎn)品質(zhì)量低、應(yīng)用效果不理想，結(jié)合劑燒結(jié)后最終成為陶瓷基體，而決定陶瓷磨具性能的關(guān)鍵是結(jié)合劑的性能。也就是說，制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料磨具采用的陶瓷基體結(jié)合劑是影響最終陶瓷磨具的重要因素。目前，制備陶瓷磨具采用的陶瓷基體結(jié)合劑主要成份有玻璃料和粘土，如氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉、硅酸鹽等。把這些結(jié)合劑經(jīng)過熔煉、粉碎、過篩后與金剛石磨料混配混合在一起，再用粘接劑水玻璃、有機(jī)糊精等潤濕混合、拌勻、壓制成型、干燥、氣氛爐燒結(jié)、冷卻等工序加工而成?？梢钥吹?，陶瓷基體金剛石復(fù)合材料用于磨具制造，原料處理和制備工序非常復(fù)雜，加工制造難度大，最終產(chǎn)品性能不易控制。為了提高陶瓷結(jié)合劑的性能和可加工性，人們開發(fā)研宄了很多方法，如王艷輝等人(發(fā)表于《超硬材料工程》雜志，2009年第2期，第12-15頁)開發(fā)了低熔點(diǎn)高強(qiáng)度納米陶瓷結(jié)合劑，具有良好的加工性。
[0004]通過有機(jī)聚合物轉(zhuǎn)化制備無機(jī)化合物陶瓷材料已獲得應(yīng)用。中國專利(申請公布號:CN103613365A)公開了一種聚硅氧烷樹脂合成硅氧碳陶瓷材料的方法，該方法具有可以在分子尺度上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)、液相浸漬涂覆各種各種復(fù)雜形狀基體、低溫?zé)o機(jī)化，得到的陶瓷材料具有優(yōu)良耐高溫特性等優(yōu)點(diǎn)。獲得授權(quán)的中國專利(授權(quán)公告號:CN101215156B，CN100554210C)公開了采用聚硅氧烷合成硅氧碳陶瓷材料及制品的方法。以上所述專利提出了采用聚硅氧烷合成陶瓷材料的有效方法，但是存在不足之處，主要是所涉及原料及工藝配方適合于小型陶瓷器件，合成的陶瓷材料由于含碳量高，材料硬度低、強(qiáng)度低、不耐磨損、容易產(chǎn)生缺陷和開裂，不能滿足陶瓷基體金剛石復(fù)合材料應(yīng)用于磨具使用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]綜上所述，本發(fā)明為了克服目前玻璃料熔煉法生產(chǎn)陶瓷基體金剛石磨具所存在的能耗高、工序繁雜、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定等缺陷。而提供的一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復(fù)合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷25?35份，直鏈形乙烯基聚硅氧烷12.5?17.5份和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷12.5?17.5份按照質(zhì)量比2:1:1混合得聚硅氧烷復(fù)合物，備用；
步驟2、制備硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，把鋁源化合物3.5?7.5份，含硅化合物3?5份和蒸餾水7?13份按照3摩爾'2摩爾:120摩爾混合后，再加入催化劑0.05?0.2份，調(diào)整pH值為2?3，在60?80°C的溫度條件下反應(yīng)反應(yīng)2小時后，聚合得到硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，備用；
步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復(fù)合物和步驟2制備的硅鋁復(fù)合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.5?I份、金剛石10?20份、短切玻璃纖維I?3份和碳化硅I?3份，一起混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預(yù)成型件；
步驟4、把步驟3制得的預(yù)成型件，在氬氣氣氛下進(jìn)行加熱燒結(jié)，燒結(jié)溫度900?1200°C，燒結(jié)保溫時間50?90分鐘；燒結(jié)后，采用自然冷卻，經(jīng)整形加工處理得到陶瓷基體金剛石復(fù)合材料。
[0007]進(jìn)一步，所述的鋁源化合物選自鋁粉、異丙醇鋁、硝酸鋁與氯化鋁中的一種或一種以上的混合物。
[0008]進(jìn)一步，所述的含硅化合物為正硅酸乙酯。
[0009]進(jìn)一步，所述的催化劑為鹽酸和醋酸中的一種。
[0010]進(jìn)一步，所述的聚硅氧烷固化交聯(lián)劑是甲基乙烯基硅氧烷配位鉑催化劑。
[0011]進(jìn)一步，所述的金剛石是經(jīng)表面包覆抗氧化硅鋁氧化物耐熱涂層的金剛石，金剛石的粒度為2?100微米，優(yōu)選20?60微米。
[0012]進(jìn)一步，所述的加熱燒結(jié)，可以是高溫氣氛電加熱燒結(jié)或微波燒結(jié)中的一種。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明采用有機(jī)硅作為前驅(qū)體，輔以硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，通過加入金剛石經(jīng)高溫?zé)Y(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料。液體聚硅氧烷復(fù)合物和硅鋁復(fù)合物溶膠溶液都是液體，流動性好，易于浸潤金剛石磨料及各種填料和輔料，可以在分子水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陶瓷基體各組分間通過交聯(lián)、固化反應(yīng)，成型后對磨料金剛石的把持力強(qiáng)，適合于重磨削應(yīng)用。由于前驅(qū)體中含有大量的有機(jī)物，高溫?zé)Y(jié)成孔性好，而這些有機(jī)物燒掉后，剩余的無機(jī)物主要成分也是以二氧化硅為主的氧化鋁和氧化硅的硅氧碳化合物，以及硅鋁復(fù)合物溶膠經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成氧化鋁、氧化硅混合物正是陶瓷基體金剛石復(fù)合材料磨具結(jié)合劑的主要成分。
[0014]2、本發(fā)明與常規(guī)采用玻璃料和粘土為主要結(jié)合劑制備陶瓷基體金剛石磨具相比，本發(fā)明采用有機(jī)硅作為前驅(qū)體，輔以硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，通過加入金剛石經(jīng)高溫?zé)Y(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料，前驅(qū)體液體滲透和流動性好，能明顯提高原料混合的均勻性，便于實(shí)現(xiàn)異形件注模預(yù)成型，生產(chǎn)程序簡單，降低了生產(chǎn)成本，復(fù)合材料中基體對金剛石磨料的把持力高，是一種高效的制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法，該復(fù)合材料可以應(yīng)用于金剛石工具磨具材料，或其他耐高溫功能材料，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
[0015]3、本發(fā)明加入的增強(qiáng)短切玻璃纖維更容易均勻分布在復(fù)合材料基體中，與基體材料化學(xué)相容性好，增強(qiáng)效果明顯。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。下述實(shí)施例中所用的原材料，如無特別說明，均為市售。
[0017]實(shí)施例1
一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復(fù)合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷10克，直鏈形乙烯基聚硅氧烷5克和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷5克混合得聚硅氧烷復(fù)合物20克。
[0018]步驟2、制備硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，把鋁源化合物3摩爾:含硅化合物2摩爾:蒸餾水120摩爾混合，加入催化劑3克調(diào)整pH值為2.8，在65±2 °0的溫度條件下反應(yīng)反應(yīng)2小時后，聚合得到8克的硅鋁復(fù)合物溶膠溶液。
[0019]步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復(fù)合物20克和步驟2制備的8克硅鋁復(fù)合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.33克、金剛石5克、短切玻璃纖維I克和碳化硅I克，混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預(yù)成型件。
[0020]步驟4、把步驟3制得的預(yù)成型件，在氬氣氣氛下進(jìn)行微波加熱燒結(jié)，微波功率20KW，微波頻率915±50MHZ，遠(yuǎn)紅外測溫，微波燒結(jié)溫度950±20°C，燒結(jié)保溫時間70分鐘。微波燒結(jié)后，采用自然冷卻，經(jīng)整形加工處理得到陶瓷基體金剛石復(fù)合材料。
[0021]經(jīng)測試，陶瓷基體金剛石復(fù)合材料試樣顯微硬度為HV3100，三點(diǎn)彎曲法測試抗彎強(qiáng)度為 675±46 MPa。
[0022]實(shí)施例2
一種采用有機(jī)硅制備陶瓷基體金剛石復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
步驟1、制備聚硅氧烷復(fù)合物，把含氫的直鏈形聚硅氧烷10克，直鏈形乙烯基聚硅氧烷5克和環(huán)聚形四甲基四乙烯基聚硅氧烷5克混合得聚硅氧烷復(fù)合物20克。
[0023]步驟2、制備硅鋁復(fù)合物溶膠溶液，把鋁源化合物3摩爾:含硅化合物2摩爾:蒸餾水120摩爾混合，加入催化劑3克調(diào)整pH值為2.8，在65±2 °0的溫度條件下反應(yīng)反應(yīng)2小時后，聚合得到6克的硅鋁復(fù)合物溶膠溶液。
[0024]步驟3、把步驟I制備的聚硅氧烷復(fù)合物20克和步驟2制備的6克硅鋁復(fù)合物溶膠溶液混合一起，再加入聚硅氧烷固化交聯(lián)劑0.30克、金剛石7克、短切玻璃纖維I克和碳化硅2克，混合、攪拌，注入模具凝膠化和固化，脫模得到預(yù)成型件。
[0025]步驟4、把步驟3制得的預(yù)成型件，在氬氣氣氛下進(jìn)行微波加熱燒結(jié)，微波功率20KW;微波