【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属复合材料，具体涉及一种碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着现代工业的发展，耐磨材料的要求越来越严苛，常见的耐磨材料包括金属材料和陶瓷材料，为了在金属材料的韧塑性以及抗冲击的优点上结合陶瓷材料的硬度高、耐磨性优良的特点，将金属和陶瓷进行复合制备金属陶瓷复合材料，成为了趋势。但是目前常见的问题是高硬度、高强度的陶瓷颗粒在伴随一定冲击磨损条件下，极易产生裂纹源、颗粒脆断、颗粒脱落等现象，无法达到预期的陶瓷增强效果；另一个常见的问题是金属陶瓷材料因为不能充分混匀，金属相和陶瓷相分布不均匀，导致耐磨性差的问题。而采用一些粘结剂改善金属材料和陶瓷材料的相容性问题，也会因为粘结剂容易老化的问题，导致陶瓷材料脱落，耐磨性失效。还有的结合方法是将金属外在涂覆一层陶瓷，从而提高耐磨性，但是这种方法因为陶瓷和金属的热膨胀系数较大，会产生残余热应力，导致连接处性能差，容易脱落。
2、为了解决上述问题，目前还有一些研究在材料中加入碳纤维，一方面改善陶瓷颗粒的韧性，一方面可以通过碳纤维的裂纹阻隔机制改性材料的耐磨性。常用的方法是将碳纤维和陶瓷球磨成粉，再和金属粉压制成型，进行烧结。这种方式将碳纤维作为碳源，在烧结阶段渗碳，渗碳效果好，效率高，提高耐磨性。该方法虽然可以提高耐磨性，但是也伴随着金属碳化、电化学腐蚀的现象，并且因为碳纤维表面能低、缺少有化学活性的化学键，与金属等材料的结合能力差，直接影响复合后的材料性能。
技术实现思路
1、针对现有技
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术的第一方面提供了一种碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、将碳纤维增韧陶瓷颗粒和金属浆料按照上下各一层金属浆料密封层，中间三层为一个循环，进行分层打印；其中，中间三层的循环层为：第一层为碳纤维增韧陶瓷颗粒、第二层为低层高间距金属浆料打印、第三层为高层低间距金属浆料打印，第一层到第三层为1个循环，进行n次循环，在循环层之外的顶层和低层均为金属浆料密封层，得到分层打印的金属浆体碳纤维增韧陶瓷复合材料；
5、将分层打印的金属浆体碳纤维增韧陶瓷复合材料烘干后，再进行低温液固两相区烧结，得到碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料。
6、所述的n优选为1～10，更优选为2～5。
7、所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒选用的原料为碳纤维和陶瓷材料，按质量比，碳纤维：陶瓷材料＝1：1～10；碳纤维增韧陶瓷颗粒中，碳纤维为增韧相；碳纤维的角度选自横向、纵向、交叉中的一种或几种；碳纤维和陶瓷材料的分布方式为：长碳纤维分层、短碳纤维弥散、碳纤维粉末和陶瓷粉末混合三种方式相结合；
8、所述的陶瓷材料选用氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷，优选为氧化铝、碳化锆、氮化硼中的一种或几种，更优选为al2o3。
9、所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒的制备方法为：将碳纤维按照选定的角度排列，陶瓷材料和碳纤维混合，通过热压烧结方式获得碳纤维增韧陶瓷复合材料，碳纤维增韧陶瓷复合材料采用破碎方式得到粒径为50-100目的碳纤维增韧陶瓷颗粒。
10、所述的热压烧结方法中烧结压力为35～45mpa，烧结温度为1850～2100℃。
11、所述的低层高间距金属浆料打印、高层低间距金属浆料打印和金属浆料密封层，采用的打印原料均为金属浆料，所述的金属浆料包括金属粉末、c粉末、粘结剂溶液，按质量比，金属基体(金属粉末+c粉末)：粘结剂溶液＝1：(2～5)；金属基体中c粉末所占的质量百分比为0.5～1.0％。
12、金属基体选自cr钢金属基体和/或mn钢金属基体，金属基体的目数为200目；
13、粘结剂溶液为pva粉末的水溶液，pva粉末的水溶液的密度为1.0～1.5g/cm3，粘度为3600～3750mpa。
14、所述的第一层的碳纤维增韧陶瓷颗粒为单层碳纤维增韧陶瓷颗粒。单层的碳纤维增韧陶瓷颗粒使用模具放置于刚玉片表面，模具为按照矩阵设置多个空洞的模具。碳纤维增韧陶瓷颗粒在模具孔填满后，竖直挪开模具，使碳纤维增韧陶瓷颗粒按模具设定方式保持在刚玉表面。模具表面上碳纤维增韧陶瓷颗粒所占表面积、模具表面孔的形状、模具表面孔的高度均可根据实际需要设计。单层碳纤维增韧陶瓷颗粒表面积占刚玉片表面表面积的20～60％。
15、所述的低层高间距金属浆料打印为：打印喷嘴所出浆料直径为4～6mm，即打印高度为4～6mm；浆料道次之间的间距为8～12mm。
16、所述的高层低间距金属浆料打印为打印喷嘴所出浆料直径为10～15mm，即打印高度为10～15mm；浆料道次之间的间距为12～18mm。
17、所述低层高间距金属浆料和高层低间距金属浆料上下两层之间的浆料打印线为垂直分布。
18、所述的金属浆料密封层为打印的密封金属浆料，密封度为90～100％，密封高度为10～20mm。
19、所述的分层打印的金属浆体碳纤维增韧陶瓷复合材料烘干为随炉阴干24～48小时；然后置于60～80℃进行干燥，时间为10～24小时。
20、所述的低温液固两相区烧结为三阶段升温烧结，包括以下烧结步骤：
21、(1)低温升温阶段：将烘干后的分层打印的金属浆体碳纤维增韧陶瓷复合材料在室温升温至200～280℃，升温速率为3～5℃/min；达到200～280℃后继续升温至400～450℃，升温速率为3～4℃/min，再400～450℃保温2～3小时，此阶段为pva分解区；
22、(2)中温升温阶段：从400～450℃升温至800～850℃，升温速率为4～6℃/min，保温2～3小时，此阶段为金属粉末气体排放区；
23、(3)液固两相区升温阶段：从800～850℃升温至1050℃～1100℃，升温速率为4～7℃/min，保温5～10小时，此阶段为液固两相区烧结，得到碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料。
24、在液固两相区升温阶段，保持了碳纤维增韧陶瓷颗粒位置处于相对稳定位置，通过30～40％金属浆料相长时间浸润碳纤维增韧陶瓷颗粒，使得碳纤维增韧陶瓷颗粒均匀分布在金属浆料中，得到碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的N次循环为1～10次循环。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒选用的原料为碳纤维和陶瓷材料，按质量比，碳纤维：陶瓷材料＝1：1～10；碳纤维增韧陶瓷颗粒中，碳纤维为增韧相；碳纤维的角度选自横向、纵向、交叉中的一种或几种；碳纤维和陶瓷材料的分布方式为：长碳纤维分层、短碳纤维弥散、碳纤维粉末和陶瓷粉末混合三种方式相结合；和/或，所述的陶瓷材料选用氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。
4.根据权利要求1或3所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒的制备方法为：将碳纤维按照选定的角度排列，陶瓷材料和碳纤维混合，通过热压烧结方式获得碳纤维增韧陶瓷复合材料，碳纤维增韧陶瓷复合材料采用破碎方式得到粒径为50-100目的碳纤维增韧陶瓷颗粒。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷
6.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，第一层的碳纤维增韧陶瓷颗粒为单层碳纤维增韧陶瓷颗粒；单层的碳纤维增韧陶瓷颗粒使用模具放置于刚玉片表面，模具为按照矩阵设置多个空洞的模具，单层碳纤维增韧陶瓷颗粒表面积占刚玉片表面表面积的20～60％。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的低层高间距金属浆料打印为：打印喷嘴所出浆料直径为4～6mm，浆料道次之间的间距为8～12mm；
8.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的低温液固两相区烧结为三阶段升温烧结，包括以下烧结步骤：
9.一种碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的制备方法制得，碳纤维增韧陶瓷均匀分布；所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料具有可焊接性能。
10.权利要求9所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的应用，为根据设备部件要求设置所需的厚度，作为耐磨层，或者打印成各种形状作为耐磨部件。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的n次循环为1～10次循环。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒选用的原料为碳纤维和陶瓷材料，按质量比，碳纤维：陶瓷材料＝1：1～10；碳纤维增韧陶瓷颗粒中，碳纤维为增韧相；碳纤维的角度选自横向、纵向、交叉中的一种或几种；碳纤维和陶瓷材料的分布方式为：长碳纤维分层、短碳纤维弥散、碳纤维粉末和陶瓷粉末混合三种方式相结合；和/或，所述的陶瓷材料选用氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。
4.根据权利要求1或3所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维增韧陶瓷颗粒的制备方法为：将碳纤维按照选定的角度排列，陶瓷材料和碳纤维混合，通过热压烧结方式获得碳纤维增韧陶瓷复合材料，碳纤维增韧陶瓷复合材料采用破碎方式得到粒径为50-100目的碳纤维增韧陶瓷颗粒。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增韧陶瓷增强金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的低层高间距金属浆料打印、高层低间距金属浆料打印和金属浆料密封层，采用的打印原料均为金属浆料，所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，金鑫，李然，王君玲，席晓燕，苑少强，
申请(专利权)人：唐山学院，
类型：发明
国别省市：
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