專利名稱：一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)及其制備方法，所制備的密封磨環(huán)可用于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)腐蝕等各種轉(zhuǎn)速、壓力、介質(zhì)的動(dòng)密封裝置中，屬于機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械密封磨環(huán)是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)械密封裝置中的動(dòng)密封關(guān)鍵零件，直接關(guān)系到密封使用的可靠性、范圍和壽命。其配置的機(jī)械密封大量用于航天、石油、化工、機(jī)械、食品、制藥、汽車等各領(lǐng)域。早期的機(jī)械密封中硬質(zhì)密封磨環(huán)，采用的硬質(zhì)材料由鋼材、氧化鋁、金屬陶瓷、硬質(zhì)合金等組成，用這些硬質(zhì)材料制作的密封磨環(huán)使用壽命短、可靠性差，而且使用局限，不能在某些腐蝕介質(zhì)及高參數(shù)條件下使用。
之后又發(fā)展出反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷密封磨環(huán)，這種密封磨環(huán)是由不同粒徑的碳化硅粉、石墨和添加劑配料組合而成，經(jīng)過(guò)壓制、預(yù)燒、車加工、終燒、磨加工、研磨等工序加工而成，燒結(jié)溫度為1600°C，燒結(jié)時(shí)通過(guò)金屬硅片溶融后滲入與坯體中碳反應(yīng)生成新的碳化硅把坯體中碳化硅結(jié)合起來(lái)。它的密封性能較之鋼材、氧化鋁、金屬陶瓷、硬質(zhì)合金等材料有較大提高，但它的主要缺點(diǎn)是一次性使用的滲硅不僅占用了爐子的有效空間，減少了產(chǎn)量，而且增加了工業(yè)廢渣，影響環(huán)保；而且碳化硅游離硅含量高，不耐腐蝕，如果融合在食品、藥品里面會(huì)影響食品安全；其綜合機(jī)械物理指標(biāo)較低，不能應(yīng)用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的工況和某些介質(zhì)的動(dòng)密封，也不適用于食品藥品行業(yè)。之后又發(fā)展出無(wú)壓燒結(jié)碳化硅，它的特點(diǎn)是純度高，性能大大優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅，廣泛地應(yīng)用于各種要求更高的工況機(jī)泵中，雖然滿足了大部分要求，但對(duì)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)更高要求工況，以上二種碳化硅陶瓷密封環(huán)又不能適應(yīng)，尤其是其脆性與抗熱沖擊性更不適應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有較高的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度且可應(yīng)用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，其原料包括亞微米碳化硅85. O 95. O重量份，水溶性粘結(jié)劑I. O 20. O重量份，分散劑O. I 5. O重量份，納米碳管O. 5 10. O重量份，以及納米碳化硼O. 5 9. O重量份、納米硼化鈦O. 5 10. O重量份、納米碳化鈦O. 5 10. O重量份、納米氧化鋁4. O 10. O重量份和納米氧化釔4. O 10. O重量份中的至少一種，所述的分散劑為重量比為5 15 I的乙醇和四甲基氫氧化氨的混合物。優(yōu)選地，所述的亞微米碳化硅的平均粒徑(D5tl)為400 600納米，純度為99. 5wt% 以上。優(yōu)選地，所述的納米碳化硼、納米碳管、納米硼化鈦、納米碳化鈦、納米氧化鋁和納米氧化釔的平均粒徑為200納米以下，純度為99. 5wt%以上。
優(yōu)選地，所述的水溶性粘結(jié)劑為水溶性酚醛樹脂、PVA、PEG和糊精中一種或幾種，其純度為95. Owt %以上。本發(fā)明還提供了上述碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的制備方法，包括將各原料分散成漿料，噴霧造粒，干壓或等靜壓成型，再進(jìn)行氣氛燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，所述的將各原料分散成漿料的具體步驟為將除分散劑外的各原料按比例混合，添加去離子水，加入分散劑，均勻分散制備成濃度為40 55wt%的漿料。
優(yōu)選地，所述的均勻分散是在超聲波分散和強(qiáng)力攪拌的至少一種作用下進(jìn)行。優(yōu)選地,所述的碳化娃-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的外徑為4mm-500mm。所述的噴霧造粒、干壓或等靜壓、氣氛燒結(jié)等工藝過(guò)程是參照公知的無(wú)壓燒結(jié)碳化硅的常規(guī)制備方法；主要控制噴霧造粒時(shí)的進(jìn)出口溫度、漿料的壓力或離心機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得合適的的水含量及顆粒大小的造粒粉，通過(guò)干壓或等靜壓成型壓力調(diào)整以控制素坯密度，通過(guò)氣氛燒結(jié)升溫、保溫控制燒結(jié)密度。納米碳管是近十年新發(fā)現(xiàn)的新材料，它具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)，直徑方向達(dá)到幾個(gè)納米到十幾納米，而長(zhǎng)度方向可以達(dá)到幾百到上千納米，因此，它除了保持碳原有的耐磨、具有自潤(rùn)滑性外，還象碳纖維一樣具有高強(qiáng)度、高彈性模量和導(dǎo)電性等特殊性能。根據(jù)納米復(fù)合增韌原理，在碳化硅基體中加入納米碳管或者再加入其它納米粒子，使他們分布在晶界、晶內(nèi)中，產(chǎn)生橋聯(lián)或提高晶界應(yīng)力，從而使基體的強(qiáng)度與韌性，同時(shí)又提高自潤(rùn)滑性。本發(fā)明根據(jù)納米碳管復(fù)合增強(qiáng)、增韌的原理，實(shí)現(xiàn)在碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的制備與應(yīng)用上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是I、本發(fā)明在亞微米碳化硅中添加了納米碳管和其它納米相中一種或幾種，采用本發(fā)明的分散劑和分散方法使其均勻分散，制備的碳化硅密封磨環(huán)的性能大為提高，尤其是斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度以及可靠性的性能提高；2、碳化硅純度的提高，使這種新型碳化硅密封磨環(huán)更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用；3、本發(fā)明所得的產(chǎn)品是一種非金屬材料，它的使用領(lǐng)域不光在機(jī)械密封，而且可制作軸套、軸瓦、軸承、噴嘴等耐熱、耐磨的重要機(jī)械零件。由于使用可靠性提高，減少泄露，保護(hù)環(huán)境，減少維修周期，可完全取代由鎢、鈷、鎳等稀有金屬為原料制作的硬質(zhì)合金密封環(huán)，節(jié)約了大量的國(guó)家戰(zhàn)略物資，有很大的社會(huì)效益。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌陶瓷密封磨環(huán)，其原料為平均粒徑為500納米、純度為99. 5被％的D5(i500納米碳化硅90重量份，純度為99. 5wt%的水溶性酚醛樹脂6重量份，分散劑I重量份，平均直徑為50納米、長(zhǎng)度為100納米、純度為99. 5wt %的納米碳管2重量份，以及平均粒徑為100納米、純度為95. 0wt%的納米碳化硼I重量份，所述的分散劑為重量比為10 I的純度為99 1:%的乙醇和純度為99 1:%的四甲基氫氧化氨的混合物。
其制備方法為將D5(i500納米碳化硅90重量份、水溶性酚醛樹脂6重量份，納米碳管2重量份以及納米碳化硼I重量份按比例混合，加入100重量份去離子水，按比例加入分散劑A為I重量份，上述組成均勻分散成濃度為50wt%的漿料，經(jīng)噴霧造粒，進(jìn)口溫度；200°C、出口溫度；90°C、進(jìn)料壓力；0· 5MPa，等靜壓成型，成型壓力；150MPa，然后在氬氣氛中2100°C下保溫I小時(shí)下進(jìn)行燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)。所得的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的體積密度(GB/T 2413) :3.08g/cm3 ;彎曲強(qiáng)度(GB/T6569) 450MPa ;斷裂韌性(JIS R 1607) 4. 5MPa *m1/2 ;彈性模量(GB/T 10700) 400GPa ;硬度 HRA(GB/T 230) :93。上述方法可用于制作外徑Φ8πιπι-Φ500πιπι的碳化硅陶瓷密封磨環(huán)。這種強(qiáng)度與韌性高的碳化硅陶瓷密封磨環(huán)，更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用，在乙烯廠串聯(lián)離心壓縮機(jī)中作為干氣密封用密封磨環(huán)，在轉(zhuǎn)速；12000轉(zhuǎn)，軸徑300ΜΜ的工況下獲成功應(yīng)用。這種陶瓷材料也可制作軸套、軸瓦、軸承、噴嘴等耐熱、耐磨的重要機(jī)械零件。實(shí)施例2一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌陶瓷密封磨環(huán)，其原料為平均粒徑為500納米、純度為99. 5wt%的納米碳化硅85重量份，平均粒徑為200納米、純度為99. 5wt%的納米碳化硼I重量份，純度為99. Owt %的水溶性PVA (型號(hào)1755) 3重量份，平均直徑為30納米、長(zhǎng)度為150納米、純度為99. 5wt%的納米碳管2重量份，平均粒徑為100納米、純度為95. 0wt%的納米硼化鈦3重量份，平均粒徑為80納米、純度為95. 0wt%的納米碳化硼3重量份，分散劑2重量份，所述的分散劑為重量比為15 I純度為99wt%的乙醇和純度為99wt %的四甲基氫氧化氨的混合物。其制備方法為將亞微米碳化硅85重量份，納米碳化硼I重量份，水溶性PVA 3重量份，納米碳管2重量份，納米硼化鈦3重量份，納米碳化硼3重量份，按比例混合，加入100重量份去離子水，再按比例加入分散劑2重量份，以速度500轉(zhuǎn)/分鐘攪拌6小時(shí)，均勻分散成為濃度為50wt%的漿料，經(jīng)噴霧造粒，進(jìn)口溫度；200°C、出口溫度；90°C、進(jìn)料壓力；O. 5MPa，等靜壓成型，成型壓力；200MPa，再在氬氣氛中2050°C下保溫I小時(shí)下進(jìn)行燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)。所得的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的體積密度(GB/T 2413) 3. 13g/cm3 ;彎曲強(qiáng)度(GB/T 6569) 460MPa ;斷裂韌性(JIS R 1607)4. 6MPa · m1/2 ;彈性模量(GB/T 10700) :410GPa ;硬度 HRA (GB/T 230) :93。上述方法可用于制作外徑Φ5πιπι-Φ500mm的碳化硅陶瓷密封環(huán)。這種強(qiáng)度與韌性高的碳化硅陶瓷密封磨環(huán)，更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用，例如作為西氣東輸中串聯(lián)離心壓縮機(jī)干氣密封用密封磨環(huán)。在轉(zhuǎn)速；15000轉(zhuǎn)，軸徑250MM的工況下成功應(yīng)用。這種陶瓷材料也可制作軸套、軸瓦、軸承、噴嘴等耐熱、耐磨的重要機(jī)械零件。實(shí)施例3一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌陶瓷密封磨環(huán)，其原料為平均粒徑為400納米、純度為99. 5wt%的亞微米碳化硅(分子式為a -SiC) 85重量份，平均粒徑為200納米、純度為99. 9wt%的納米氧化鋁8重量份，平均粒徑為100納米、純度為99. 9wt%的納米氧化釔6重量份，純度為99. Owt %的水溶性PEG 3重量份，水溶性糊精I(xiàn)重量份，平均直徑為60納米、長(zhǎng)度為90納米、純度為99. 5wt%的納米碳管5重量份,分散劑A 2重量份,所述的分散劑為重量比為5 I的純度為99 1:%的乙醇和純度為99 1:%的四甲基氫氧化氨的混合物。、
其制備方法為亞微米碳化硅85重量份，納米氧化鋁8重量份，納米氧化釔6重量份，水溶性PEG 3重量份，水溶性糊精I(xiàn)重量份，納米碳管5重量份，按比例混合，加入100重量份去離子水，按比例加入分散劑2重量份，以40KHz超聲波振蕩20分鐘，再以速度800轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌8小時(shí)，均勻分散成濃度為52wt %的漿料，經(jīng)噴霧造粒，進(jìn)口溫度；230°C、出口溫度；95°C、進(jìn)料壓力；0· 5MPa，等靜壓成型；成型壓力；150MPa，再在氬氣氛中2000°C下保溫I小時(shí)下進(jìn)行燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)。所得的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的體積密度(GB/T 2413) :3. 20g/cm3;彎曲強(qiáng)度(GB/T 6569) :480MPa ;斷裂韌性(JIS R 1607) :5. OMPa · m1/2 ;彈性模量(GB/T 10700) :400GPa ;硬度 HRA (GB/T 230)93。上述方法可用于制作外徑Φ4πιπι-Φ500πιπι的碳化硅陶瓷密封環(huán)。這種強(qiáng)度與韌性高的碳化硅陶瓷密封磨環(huán)，更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用，例如作為煉油廠的干氣密封用密封磨環(huán)，在轉(zhuǎn)速；10000轉(zhuǎn)，軸徑350ΜΜ的工況中獲成功應(yīng)用。這種陶瓷材料也可制作軸套、軸瓦、軸承、噴嘴等耐熱、耐磨的重要機(jī)械零件。
實(shí)施例4一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌陶瓷密封磨環(huán)，其原料為平均粒徑為600納米、純度為99. 5wt%的亞微米碳化硅(分子式為a -SiC) 85重量份，平均粒徑為150納米、純度為99. Owt %的納米氧化鋁8重量份，平均粒徑為150納米、純度為99. 9wt%的納米氧化釔6重量份，純度為99被％的水溶性PVA I. 5重量份，平均直徑為70納米、長(zhǎng)度為100納米、純度為99. 5wt%的的納米碳管2重量份，平均粒徑為80納米、純度為99wt%的納米碳化鈦3重量份，分散劑I. 5重量份，所述的分散劑為重量比為10 I的純度為99wt%的乙醇和純度為99wt %的四甲基氫氧化氨的混合物。其制備方法為亞微米碳化硅(分子式為a -SiC) 85重量份，納米氧化鋁8重量份，納米氧化釔6重量份，水溶性PVA I. 5重量份，納米碳管2重量份，納米碳化鈦3重量份，按比例混合，加入100重量份去尚子水,按比例加入分散劑I. 5重量份，以40ΚΗζ超聲波振蕩10分鐘，再以速度600轉(zhuǎn)/分鐘、攪拌6小時(shí)，均勻分散制備成濃度為52wt%的漿料，經(jīng)噴霧造粒；進(jìn)口溫度；230°C、出口溫度；95°C、離心轉(zhuǎn)速；1萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘，等靜壓成型；成型壓力；180MPa，再在氬氣氛中1950°C下保溫I小時(shí)下進(jìn)行燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)。所得的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的體積密度(GB/T 2413) 3. 24g/cm3;彎曲強(qiáng)度(GB/T 6569) :500MPa ;斷裂韌性(JIS R 1607) :5. OMPa ·ι 1/2 ;彈性模量(GB/T 10700) :400GPa ;硬度 HRA(GB/T 230) :93。上述方法可用于制作外徑Φ4πιπι-Φ500πιπι的碳化硅陶瓷密封環(huán)。這種強(qiáng)度與韌性高的碳化硅陶瓷密封磨環(huán)，使它更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用，例如作為離心壓縮機(jī)用密封磨環(huán)在煉油廠中在轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)，軸徑380MM的工況下成功應(yīng)用。這種陶瓷材料也可制作軸套、軸瓦、軸承、噴嘴等耐熱、耐磨的重要機(jī)械零件。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，其原料包括亞微米碳化硅85. O 95. O重量份，水溶性粘結(jié)劑I. O 20. 0重量份，分散劑0. I 5. 0重量份，納米碳管0. 5 10. 0重量份，以及納米碳化硼0. 5 9. 0重量份、納米硼化鈦0. 5 10. 0重量份、納米碳化鈦0. 5 10. 0重量份、納米氧化鋁4. 0 10. 0重量份和納米氧化釔4. 0 10. 0重量份中的至少一種，所述的分散劑為重量比為5 15 I的乙醇和四甲基氫氧化氨的混合物。
2.如權(quán)利要求I所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，所述的亞微米碳化硅的平均粒徑為400 600納米，純度為99. 5wt%以上。
3.如權(quán)利要求I所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，所述的納米碳化硼、納米碳管、納米硼化鈦、納米碳化鈦、納米氧化鋁和納米氧化釔的平均粒徑為200納米以下，純度為99. 5wt%以上。
4.如權(quán)利要求I所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，所述的水溶性粘結(jié)劑為水溶性酚醛樹脂、PVA, PEG和糊精中一種或幾種，其純度為95. 0wt%以上。
5.權(quán)利要求I所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的制備方法，包括將各原料分散成漿料，噴霧造粒，干壓或等靜壓成型，再進(jìn)行氣氛燒結(jié)制成碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，所述的將各原料分散成漿料的具體步驟為將除分散劑外的各原料按比例混合，添加去離子水，加入分散劑，均勻分散成濃度為40 55wt%的漿料。
6.如權(quán)利要求5所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的制備方法，其特征在于，所 述的均勻分散是在超聲波分散和強(qiáng)力攪拌的至少一種作用下進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求5所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的制備方法，其特征在于，所述的碳化娃-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)的外徑為4mm-500mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)及其制備方法。所述的碳化硅-納米碳管復(fù)合增韌密封磨環(huán)，其特征在于，其原料包括亞微米碳化硅85.0～95.0重量份，水溶性粘結(jié)劑1.0～20.0重量份，分散劑0.1～5.0重量份，納米碳管0.5～10.0重量份，以及納米碳化硼0.5～9.0重量份、納米硼化鈦0.5～10.0重量份、納米碳化鈦0.5～10.0重量份、納米氧化鋁4.0～10.0重量份和納米氧化釔4.0～10.0重量份中的至少一種。本發(fā)明制備的碳化硅密封磨環(huán)的性能大為提高，尤其是斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度、可靠性的性能提高；更適合于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況和介質(zhì)中應(yīng)用。
文檔編號(hào)C04B35/565GK102731094SQ20121019153
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者鄭佑俊 申請(qǐng)人:上海德寶密封件有限公司