一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明以環(huán)氧樹脂為前驅(qū)體，甘蔗渣粉末為生物多孔模板，通過(guò)加入軟金屬及三氧化二鋁改善多孔陶瓷基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能；同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)存不斷產(chǎn)生的潤(rùn)滑劑，即環(huán)氧樹脂和甘蔗渣粉高溫?zé)Y(jié)后產(chǎn)生的類石墨化碳，使多孔陶瓷基復(fù)合材料具有自潤(rùn)滑性能，制得的多孔陶瓷基復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)在0.11～0.18，磨損率在（0.35～1.08）×10-6，在自潤(rùn)滑摩擦材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有較大潛力。
【專利說(shuō)明】一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是以陶瓷為基體組元，加入固體潤(rùn)滑劑和一些附加組元，通過(guò)一定工藝制備而成的具有一定強(qiáng)度和自潤(rùn)滑性能的復(fù)合材料；潤(rùn)滑過(guò)程是由自潤(rùn)滑材料本身含有的潤(rùn)滑介質(zhì)，在工作過(guò)程中逐漸向配對(duì)副摩擦界面轉(zhuǎn)移形成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜實(shí)現(xiàn)的；如果采用有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成多孔陶瓷基復(fù)合材料可使這類陶瓷在受載模式下的強(qiáng)度優(yōu)于理論密實(shí)材料，達(dá)到最大比剛度和比強(qiáng)度，同時(shí)可在磨損表面形成良好的自潤(rùn)滑膜，從而提高其摩擦學(xué)性能;文獻(xiàn)“T.C.Wang, D.S.Xiong, T.L.Zhou, G.D.Zhang, Preparationand wear behavior of carbon/epoxy resin composites with an interpenetrating networkstructure derived from natural sponge.Carbon.48 (2010) 2435 - 2441，，介紹了利用海綿制備具有網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研究表明復(fù)合材料中的碳材料及網(wǎng)絡(luò)互穿的多孔結(jié)構(gòu)明顯改善了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能；現(xiàn)有技術(shù)“T.C.Wang, T.X.Fan,
D.Zhang, G.D.Zhang, The fabrication and wear properties of C/Al and (C + SiC) /Alcomposites based on wood template, Materials Letters.60 (2006) 2695 - 2699” 公開了利用真空加壓浸潰技術(shù)，將鋁合金浸潰木炭模板合成C/A1和(C+SiC) /Al復(fù)合材料，該材料中的碳相使鋁合金的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定，并降低了鋁合金的磨損率，同時(shí)金屬的添加明顯改善了復(fù)合材料的強(qiáng)度，降低了陶瓷材料特有的脆性；然而，上述方法工藝復(fù)雜，且對(duì)設(shè)備要求較高，合成的復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)被完全利用；因此，在各種工況條件下，如何改善潤(rùn)滑條件，從而達(dá)到控制摩擦、減少磨損的目的，一直是摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)；多孔陶瓷基復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)，可以為潤(rùn)滑劑提供存儲(chǔ)通道，同時(shí)保證具有良好的強(qiáng)度及耐高溫性等，在摩擦學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，通過(guò)多孔材料中自潤(rùn)滑劑的添加或形成，使該類材料有望具有良好的摩擦學(xué)性能及自潤(rùn)滑性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于制備一種具有良好自潤(rùn)滑性能的多孔陶瓷基復(fù)合材料，本發(fā)明提供的自潤(rùn)滑性復(fù)合材料具有良好的耐磨性，在干摩擦條件下具有良好的摩擦學(xué)性能。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.11~0.18，磨損率在(0.35~1.08) X 10_6，且該自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料由質(zhì)量配比為(廣2):(廣3):(0.1~0.8):(0.2^0.5)的甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉及三氧化二鋁粉組成。 [0005]所述甘蔗渣為粉狀，粒徑為40-60目；鋁粉粒度為100~200目；三氧化二鋁粉的粒度為100~200目。
[0006]一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，包括步驟如下:(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按比例球磨混合均勻，取出并烘干。
[0007](2)以無(wú)水乙醇做溶劑，將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰環(huán)氧樹月旨，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰12tT24h，加熱溫度控制在5(T80°C ;浸潰完后進(jìn)行固化。
[0008](3)將固化好的混合物壓制成試樣。
[0009](4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C，保溫30min，再以5°C /min的速度分別升溫至合適溫度進(jìn)行燒結(jié)，保溫一定時(shí)間，然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0010]步驟(1)中所述的甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末三者的質(zhì)量比為(1~2):(0.1~0.8):(0.2~0.5);球磨轉(zhuǎn)速為 15(T250r/min，球磨時(shí)間為 l0~l5h ；
步驟(2)中所述甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為(1~2):(1~3)，固化溫度為6(T80°C，固化時(shí)間為16h~30h ；
步驟(3)中所述壓制試樣的方法為:在80°C，40MPa下保壓l(Tl5min成型，再利用冷等靜壓的方法在10(Tl50MPa下保壓I~3min ；
步驟(4)中所述燒結(jié)溫度70(T90(TC，保溫時(shí)間為l~3h。
[0011]通過(guò)本方案的實(shí)施，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于以環(huán)氧樹脂為前驅(qū)體，甘蔗渣粉末為生物多孔模板，通過(guò)加入軟金屬及三氧化二鋁改善多孔陶瓷基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能；同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)存不 斷產(chǎn)生的潤(rùn)滑劑，即環(huán)氧樹脂和甘蔗渣粉高溫?zé)Y(jié)后產(chǎn)生的類石墨化碳，使多孔陶瓷基復(fù)合材料具有自潤(rùn)滑性能，制得的多孔陶瓷基復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)在0.11~0.18，磨損率在(0.35~1.08) X 10_6，在自潤(rùn)滑摩擦材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有較大潛力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述的自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的物相組成圖。
[0013]圖2為本發(fā)明所述的自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的SEM圖。
[0014]表1為本發(fā)明實(shí)施例中提供的所述自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料在不同工況下的平均摩擦系數(shù)及磨損率。
[0015]圖1為所述的自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的物相組成圖，由圖可知該材料由無(wú)定形碳、鋁及三氧化二鋁組成，是一種陶瓷基復(fù)合材料；圖2為所述的自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的SEM圖，從圖中看出，該復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)，鋁及三氧化二鋁分布于多孔陶瓷微觀組織中，表1為所述的多孔陶瓷基復(fù)合材料所能達(dá)到的摩擦學(xué)性能指標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
本實(shí)施例中復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.13，磨損率在0.56 X 10_6，該摩擦材料包括質(zhì)量比1:1:0.3:0.2甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉、三氧化二鋁粉。
[0017]本實(shí)施例自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按質(zhì)量比1:0.3:0.2球磨混合均勻，取出并烘干，球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，球磨時(shí)間為15h。
[0018](2)將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰適量的環(huán)氧樹脂，乙醇作為溶齊?，甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1:1，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰12h，加熱溫度控制在80°C，浸潰完后進(jìn)行固化，固化時(shí)間16h，固化溫度80°C。
[0019](3)將固化好的混合物壓制成試樣，在80°C，40MPa下保壓15min成型，再利用冷等靜壓的方法在IOOMPa下保壓3min。
[0020](4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C,保溫30min,再以5°C /min的速度分別升溫至700°C,保溫3h,然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0021]實(shí)施例2
本實(shí)施例中復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.15，磨損率在0.62X 10_6，該摩擦材料包括質(zhì)量比2:1:0.2:0.5甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉、三氧化二鋁粉。
[0022]本實(shí)施例自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按質(zhì)量比2:0.2:0.5球磨混合均勻，取出并烘干，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為12h。
[0023](2)將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰適量的環(huán)氧樹脂，乙醇作為溶齊?，甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為2:1，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰24h，加熱溫度控制在50°C，浸潰完后進(jìn)行固化，固化時(shí)間30h，固化溫度60°C。
[0024](3)將固化好的混合物壓制成試樣，在80°C，40MPa下保壓15min成型，再利用冷等靜壓的方法在IOOMPa下保壓3min。
[0025](4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C,保溫30min,再以5°C /min的速度分別升溫至800°C,保溫2h,然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0026]實(shí)施例3
本實(shí)施例中復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.16，磨損率在0.74X 10_6，該摩擦材料包括質(zhì)量比2:1:0.5:0.4甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉、三氧化二鋁粉。
[0027]本實(shí)施例自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按質(zhì)量比2:0.5:0.4球磨混合均勻，取出并烘干，球磨時(shí)間為150r/min,球磨時(shí)間為15h。
[0028](2)將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰適量的環(huán)氧樹脂，乙醇作為溶齊?，甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為2:1，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰12h，加熱溫度控制在80°C，浸潰完后進(jìn)行固化，固化時(shí)間16h，固化溫度80°C。
[0029](3)將固化好的混合物壓制成試樣，在80°C，40MPa下保壓12min成型，再利用冷等靜壓的方法在150MPa下保壓lmin。
[0030](4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C,保溫30min,再以5°C /min的速度分別升溫至800°C,保溫2h,然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0031]實(shí)施例4
本實(shí)施例中復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.18，磨損率在1.08 X 10_6，該摩擦材料包括質(zhì)量比2:1:0.8:0.2甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉、三氧化二鋁粉。
[0032]本實(shí)施例自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按質(zhì)量比2:0.8:0.2球磨混合均勻，取出并烘干,球磨時(shí)間200r/min,球磨時(shí)間為12h。
[0033](2)將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰適量的環(huán)氧樹脂，乙醇作為溶齊?，甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為2:1，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰20h，加熱溫度控制在60°C，浸潰完后進(jìn)行固化，固化時(shí)間25h，固化溫度70°C。
[0034](3)將固化好的混合物壓制成試樣，在80°C，40MPa下保壓15min成型，再利用冷等靜壓的方法在150MPa下保壓Imin ；
(4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C，保溫30min，再以5°C /min的速度分別升溫至900°C，保溫Ih，然后以3 0C /min的速度冷卻至室溫。
[0035]實(shí)施例5
本實(shí)施例中復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.11，磨損率在0.35 X 10_6，該摩擦材料包括質(zhì)量比1:1:0.5:0.2甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉、三氧化二鋁粉。
[0036]本實(shí)施例自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
(I)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按質(zhì)量比1:0.5:0.2球磨混合均勻，取出并烘干，球磨時(shí)間150r/min,球磨時(shí)間為15h。
[0037](2)將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰適量的環(huán)氧樹脂，乙醇作為溶劑，甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1:1，加熱邊磁力攪拌充分浸潰20h，加熱溫度控制在70°C，浸潰完后進(jìn)行 固化，固化時(shí)間25h，固化溫度70°C。
[0038](3)將固化好的混合物壓制成試樣，在80°C，40MPa下保壓15min成型，再利用冷等靜壓的方法在120MPa下保壓2min。
[0039](4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C /min的速度升溫至400°C,保溫30min,再以5°C /min的速度分別升溫至800°C,保溫2h,然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0040]對(duì)比例I
制備過(guò)程同實(shí)施例5，在燒結(jié)階段，直接將溫度加熱到800°C，保溫2h，然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0041]對(duì)比例2
制備過(guò)程同實(shí)施例1，在燒結(jié)階段，直接將溫度加熱到700°C，保溫3h，然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
[0042]從表1中可以看出，通過(guò)選擇甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉及三氧化二鋁粉質(zhì)量配t匕、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，可以得到摩擦性能更為優(yōu)化的試樣；燒結(jié)制度對(duì)本發(fā)明的摩擦性能有著重要的影響，當(dāng)直接將溫度加熱到燒結(jié)溫度保溫時(shí)，平均摩擦系數(shù)和磨損率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他實(shí)施例。
[0043]表1
【權(quán)利要求】
1.一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于:所述自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)在0.11~0.18，磨損率在(0.35~1.08)X 10_6，且該自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料由質(zhì)量配比為(廣2):(廣3):(0.1~0.8):(0.2^0.5)的甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉及三氧化二鋁粉組成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于:所述甘蔗渣為粉狀，粒徑為40-60目；鋁粉粒度為100~200目；三氧化二鋁粉的粒度為100~200目。
3.如權(quán)利要求1所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按照如下步驟制備: (1)將甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末按比例球磨混合均勻，取出并烘干； (2)以無(wú)水乙醇做溶劑，將上述甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末浸潰環(huán)氧樹脂，邊加熱邊磁力攪拌充分浸潰12tT24h，加熱溫度控制在5(T80°C ;浸潰完后進(jìn)行固化； (3)將固化好的混合物壓制成試樣； (4)將壓制成型的試樣在Ar氣氛中高溫?zé)Y(jié):高溫?zé)Y(jié)起始溫度為60°C，以5°C/min的速度升溫至400°C，保溫30min，再以5°C /min的速度分別升溫至合適溫度進(jìn)行燒結(jié)，保溫一定時(shí)間，然后以3°C /min的速度冷卻至室溫。
4.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(1)中所述的甘蔗渣粉末、鋁粉和三氧化二鋁粉末三者的質(zhì)量比為(f 2):(0.1~0.8):(0.2~0.5);球磨轉(zhuǎn)速為15 (T250r/min，球磨時(shí)間為10~15h。
5.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述甘蔗渣粉末和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為(廣2):(廣3)，固化溫度為6(T80°C，固化時(shí)間為16tT30h。
6.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述壓制試樣的方法為:在80°C，40MPa下保壓l(Tl5min成型，再利用冷等靜壓的方法在100~150MPa下保壓I~3min。
7.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中所述燒結(jié)溫度70(T90(TC，保溫時(shí)間為l~3h。
8.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉及三氧化二鋁粉質(zhì)量配比為1:1:0.5:0.2，燒結(jié)溫度800度，保溫時(shí)間2h。
9.如權(quán)利要求3所述的一種自潤(rùn)滑性多孔陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述甘蔗渣粉、環(huán)氧樹脂、鋁粉及三氧化二鋁粉質(zhì)量配比為1:1:0.3:0.2，燒結(jié)溫度700度，保溫時(shí)間3h。
【文檔編號(hào)】C04B35/10GK103992133SQ201410186200
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】潘建梅, 程曉農(nóng), 嚴(yán)學(xué)華, 李軍, 張成華 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)