金属陶瓷复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种金属陶瓷复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.金属陶瓷，《辞海》定义为：由金属和陶瓷原料制成的材料，兼有金属和陶瓷的某些优点，如前者的韧性和抗弯性，后者的耐高温、高强度和抗氧化性能等。美国astm专业委员会定义为：一种由金属或合金与一种或多种陶瓷相组成的非均质的复合材料，其中后者约占15％～85％体积分数，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相之问的溶解度相当小。从狭义的角度定义的金属陶瓷是指复合材料中金属和陶瓷相在三维空间上都存在界面的一类材料。
3.现有的金属陶瓷复合材料，由于其内部存在大量孔隙，导致其强度下降。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种金属陶瓷复合材料及其制备方法，旨在提供一种强度较高金属陶瓷复合材料。
5.为实现上述目的，本发明提出一种金属陶瓷复合材料，包括以下原料：
6.陶瓷、金属、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝，其中，所述陶瓷的粒径为100～200nm，所述酚醛树脂的粒径为10～50nm。
7.可选地，所述陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷；和/或，
8.所述金属包括钴、镍、铁和铝；和/或，
9.所述表面活性剂包括烷基苯磺酸盐、2
‑
丁氧基乙醇、α
‑
烯烃磺酸盐、山梨聚糖脂肪酸酯、二甲基硅油中的至少一种。
10.可选地，所述陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，所述碳化硅陶瓷与所述氮化硅陶瓷的质量之比为1：(1～3)；和/或，
11.所述金属包括钴、镍、铁和铝，所述钴、镍、铁和铝的质量之比为1：(1～3)：(5～8)：(6～9)。
12.可选地，所述酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒的粒径为12～20nm，所述第二颗粒的粒径为25～40nm。
13.可选地，所述第一颗粒与所述第二颗粒的质量之比为1：(2～4)。
14.可选地，所述稀土包括镧、铈、钇中的至少一种。
15.可选地，所述强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚乳酸中的至少一种。
16.可选地，所述金属陶瓷复合材料中各组分的质量份数为：
17.陶瓷45～65份、金属20～30份、酚醛树脂10～23份、表面活性剂5～9份、稀土3～5份、强度增强剂6～10份、泡沫铝10～15份。
18.本发明进一步提出一种如上所述的金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步
骤：
19.s10、将陶瓷、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝混合均匀后，压实、真空烧结，得预制体；
20.s20、将金属加热至熔融状态，得金属液；
21.s30、将所述金属液浇注到所述预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
22.可选地，在步骤s10中，
23.所述真空烧结的真空度为1
×
10
‑3～1
×
10
‑2pa；和/或，
24.所述真空烧结的温度为800～950℃。
25.本发明的技术方案中，提出一种金属陶瓷复合材料，包括陶瓷、金属、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝，通过将陶瓷的粒径设置为100～200nm，酚醛树脂的粒径设置为10～50nm，使得酚醛树脂能够填充在陶瓷、泡沫铝、稀土颗粒相互之间的间隙内，一方面起到粘接作用，实现它们的连接，另一方面酚醛树脂本身具有一定的耐磨性和强度，能够对其他材料起到支撑补强作用，此外，强度增强剂的添加也大大增强了金属陶瓷复合材料的强度和耐磨性，本发明提出的金属陶瓷复合材料，具有很强的强度和耐磨性，能够广泛应用于各种配件中。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
27.图1为本发明提出的金属陶瓷复合材料的制备方法的一实施例的流程示意图。
28.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
31.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法
实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
32.现有的金属陶瓷复合材料，由于其内部存在大量孔隙，导致其强度下降。
33.鉴于此，本发明提出一种金属陶瓷复合材料，旨在提供一种强度较高的金属陶瓷复合材料。本发明附图中，图1为本发明提出的金属陶瓷复合材料的制备方法的一实施例的流程示意图。
34.本发明提出一种金属陶瓷复合材料，包括以下原料：陶瓷、金属、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝，其中，所述陶瓷的粒径为100～200nm，所述酚醛树脂的粒径为10～50nm。
35.本发明的技术方案中，提出一种金属陶瓷复合材料，包括陶瓷、金属、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝，通过将陶瓷的粒径设置为100～200nm，酚醛树脂的粒径设置为10～50nm，使得酚醛树脂能够填充在陶瓷、泡沫铝、稀土颗粒相互之间的间隙内，一方面起到粘接作用，实现它们的连接，另一方面酚醛树脂本身具有一定的耐磨性和强度，能够对其他材料起到支撑补强作用，本发明提出的金属陶瓷复合材料，具有很强的强度和耐磨性，能够广泛应用于各种配件中。
36.陶瓷是金属陶瓷复合材料的基底，起到骨架的作用，陶瓷优选包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，而氮化硅陶瓷具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性，两者共同作用，提高了金属陶瓷复合材料的强度和耐用性。
37.更优选地，所述碳化硅陶瓷与所述氮化硅陶瓷的质量之比为1：(1～3)，例如可以是1:1、1:2、1:3等，上述质量比下，得到的金属陶瓷复合材料的强度最强。
38.金属可以使所述金属陶瓷复合材料具备一定的金属的特性，对于金属的种类，本发明不作限制，优选地，所述金属包括钴、镍、铁和铝，采用上述金属的至少一种，能够大大增强金属陶瓷复合材料的强度和耐用性。
39.更优选地，所述钴、镍、铁和铝的质量之比为1：(1～3)：(5～8)：(6～9)。上述配比下，使得所述金属陶瓷复合材料的强度和耐用性更好。
40.此外，在本发明实施例中，优选地，酚醛树脂树脂包括第一颗粒和第二颗粒，所述第一颗粒的粒径为12～20nm，所述第二颗粒的粒径为25～40nm。通过设置粒径较小的第二颗粒及粒径更小的第二颗粒，使得所述金属陶瓷复合材料更加紧致，进一步增强了其强度。
41.更选地，所述第一颗粒与所述第二颗粒的质量之比为1：(2～4)。如此，能够使酚醛树脂充分填充到各原料之间的间隙内，使得所述金属陶瓷复合材料更加紧致，进一步增强了其强度。
42.稀土的添加，能够增强金属陶瓷复合材料的强度，优选地，所述稀土包括镧、铈、钇中的至少一种。研究表明，金属陶瓷复合材料中添加上述稀土，能够大大增强其强度。
43.表面活性剂能够有效提高金属陶瓷复合材料中，强度增强剂、酚醛树脂与其他无机材料的结合能力，对于表面活性剂的种类，本发明不作限制，优选地，所述表面活性剂包括烷基苯磺酸盐、2
‑
丁氧基乙醇、α
‑
烯烃磺酸盐、山梨聚糖脂肪酸酯、二甲基硅油中的至少一种。采用上述物质的至少一种作为表面活性剂，能够有效提高各原料的结合能力，提高金属陶瓷复合材料的强度。
44.强度增强剂的添加，能够进一步增强金属陶瓷复合材料的强度，对于强度增强剂的种类，本发明也不作限制，优选地，所述强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚
乳酸中的至少一种。丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物是无色透明的热塑性树脂，具有耐高温性、出色的光泽度和耐化学介质性，还有优良的硬度、刚性、尺寸稳定性和较高的承载能力；聚乳酸热稳定性好，有好的抗溶剂性，机械性能及物理性能良好，采用上述两种的至少一种，能够显著增强金属陶瓷复合材料的强度。
45.泡沫铝同时兼有金属和气泡特征。它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、成形精度高、可进行表面涂装。采用泡沫铝，能够进一步提高金属陶瓷复合材料的强度和耐用性。
46.对于金属陶瓷复合材料各组分的配比，本发明也不做限制，优选地，所述金属陶瓷复合材料中各组分的质量份数为：陶瓷45～65份、金属20～30份、酚醛树脂10～23份、表面活性剂5～9份、稀土3～5份、强度增强剂6～10份、泡沫铝10～15份。上述配比下，金属陶瓷复合材料的强度和耐用性最好。
47.请参阅图1，本发明进一步提出一种如上所述的金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
48.s10、将陶瓷、酚醛树脂、表面活性剂、稀土、强度增强剂、泡沫铝混合均匀后，压实、真空烧结，得预制体。
49.优选地，本步骤中，真空烧结的真空度为1
×
10
‑3～1
×
10
‑2pa，所述真空烧结的温度为800～950℃，上述条件下，得到的预制体较为均一稳定。
50.混匀压实的过程中，酚醛树脂能够填充在陶瓷、泡沫铝、稀土颗粒相互之间的间隙内，一方面起到粘接作用，实现它们的连接，另一方面酚醛树脂本身具有一定的耐磨性和强度，能够对其他材料起到支撑补强作用。
51.可以理解的是，上述真空烧结的真空度和真空烧结的温度的限制，可以两者同时满足，也可以只满足其中一个，而作为本发明的优选实施例，上述两者同时满足，能够得到更加均一稳定的预制体。
52.s20、将金属加热至熔融状态，得金属液。
53.需要说明的是，步骤s10和步骤s20的次序不分先后，可以先进行步骤s10，也可以先进行步骤s20，本发明对此不作限制。
54.s30、将所述金属液浇注到所述预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
55.熔融态的金属液进入到预制体内部和表面，进一步与预制体混合均匀。
56.本发明提出的金属陶瓷复合材料的制备方法，简单方便，便于操作，且具备了上述金属陶瓷复合材料的全部有益效果，在此不再一一赘述。
57.以下给出本发明提出的金属陶瓷复合材料的制备方法的一实施例：
58.(1)陶瓷45～65份、酚醛树脂10～23份、表面活性剂5～9份、稀土3～5份、强度增强剂6～10份、泡沫铝10～15份混合均匀后，压实、在1
×
10
‑3～1
×
10
‑2pa的真空度，800～950℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为100～200nm，酚醛树脂的粒径为10～50nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为12～20nm，第二颗粒的粒径为25～40nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：(2～4)，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：(1～3)，稀土包括镧、铈、钇中的至少一种，强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚乳酸中的至少一种；
59.(2)将金属20～30份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：(1～3)：(5～8)：(6～9)；
60.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
61.以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
62.实施例1
63.(1)陶瓷45份、酚醛树脂10份、表面活性剂5份、稀土3份、强度增强剂6份、泡沫铝10份混合均匀后，压实、在1
×
10
‑3pa的真空度，800℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为100nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为12nm，第二颗粒的粒径为25nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：2，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：1，稀土包括镧，强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物；
64.(2)将金属20份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：1：5：6；
65.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
66.实施例2
67.(1)陶瓷65份、酚醛树脂23份、表面活性剂9份、稀土5份、强度增强剂10份、泡沫铝15份混合均匀后，压实、在1
×
10
‑2pa的真空度，950℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为200nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为20nm，第二颗粒的粒径为40nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：4，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：3，稀土包括镧、铈、钇，强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚乳酸中；
68.(2)将金属30份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：3：8：9；
69.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
70.实施例3
71.(1)陶瓷55份、酚醛树脂16份、表面活性剂7份、稀土4份、强度增强剂8份、泡沫铝12份混合均匀后，压实、在5
×
10
‑3pa的真空度，875℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为150nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为16nm，第二颗粒的粒径为32nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：3，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：2，稀土包括铈、钇，强度增强剂的材质包括聚乳酸；
72.(2)将金属25份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：2：6：7；
73.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
74.实施例4
75.(1)陶瓷50份、酚醛树脂17份、表面活性剂6份、稀土3份、强度增强剂7份、泡沫铝13份混合均匀后，压实、在8
×
10
‑3pa的真空度，900℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为180nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为15nm，第二颗粒的粒径为33nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：2，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：3，稀土包括钇，强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚乳酸；
76.(2)将金属23份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：2：7：8；
77.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
78.实施例5
79.(1)陶瓷60份、酚醛树脂20份、表面活性剂8份、稀土5份、强度增强剂9份、泡沫铝14份混合均匀后，压实、在3
×
10
‑3pa的真空度，850℃的温度下真空烧结，得预制体，其中，陶瓷的粒径为130nm，酚醛树脂包括第一颗粒和第二颗粒，第一颗粒的粒径为19nm，第二颗粒的粒径为30nm，第一颗粒与第二颗粒的质量之比为1：4，陶瓷包括碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷与氮化硅陶瓷的质量之比为1：1，稀土包括镧、铈、钇，强度增强剂的材质包括丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚乳酸；
80.(2)将金属29份加热至熔融状态，得金属液，金属包括钴、镍、铁和铝，且钴、镍、铁和铝的质量之比为1：3：5：6；
81.(3)将金属液浇注到预制体上，使所述金属液均匀分散在所述预制体内，冷却，得金属陶瓷复合材料。
82.对比例1
83.除不添加酚醛树脂以外，其余步骤与实施例1相同。
84.对比例2
85.除采用粒径为60nm的酚醛树脂以外，其余步骤与实施例1相同。
86.对比例3
87.除不添加强度增强剂以外，其余步骤与实施例1相同。
88.对实施例1至5及对比例1至3的金属陶瓷复合材料的抗弯强度、硬度和体积磨损量进行测试，测试结果如表1所示。其中体积磨损量的测定方法为：分别将实施例1至5及对比例1至3的金属陶瓷复合材料制成磨辊，待磨辊工作12h后，测定磨辊的体积磨损量。
89.表1实施例1
‑
5及对比例1
‑
3的性能测定
[0090][0091][0092]
请参阅表1，可以看出，本发明实施例实施例1至5制备的金属陶瓷复合材料，具有较强的抗弯强度、较大的硬度以及较小的体积磨损量，相比于对比例，在抗弯强度、硬度及磨损量等方面具有明显优势。
[0093]
对比例1没有添加酚醛树脂，对比例2添加的酚醛树脂的粒径不在本发明的范围内，对比例3没有添加强度增强剂，其抗弯强度、硬度及磨损量等方面的性能均明显不如本发明实施例，可见，本发明的酚醛树脂及其粒径选择，以及强度增强剂至关重要。
[0094]
综上，本发明提出的金属陶瓷复合材料，具有很强的强度和耐磨性，能够广泛应用于各种配件中。
[0095]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。