/Ti復(fù)合陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型超硬耐磨陶瓷材料，尤其涉及一種超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料，是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，同時也對改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)具有十分重要的作用。如農(nóng)業(yè)、化工、建材等起著重要作用。耐磨材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。耐磨材料按使用性能分，可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機敏(智能)材料。由于我們已把電子信息材料單獨作為一類新材料領(lǐng)域，所以這里所指的新型耐磨材料是除電子信息材料以外的主要耐磨材料。
[0003]耐磨材料是新材料領(lǐng)域的核心，對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，在全球新材料研宄領(lǐng)域中，耐磨材料約占85%。隨著信息社會的到來，特種耐磨材料對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，是二十一世紀(jì)信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，成為世界各國新材料領(lǐng)域研宄發(fā)展的重點，也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點。
[0004]目前耐磨材料主要有以下幾大類:耐磨球、耐磨鋼板、耐磨焊條、耐磨陶瓷、耐磨地坪、耐磨橡膠、耐磨管道、耐磨軸承、耐磨焊材、耐磨鑄件、鑄石、高分子等其它耐磨材料，但是其為納米結(jié)構(gòu)的控制十分的困難。制備出一種大面積微觀形貌可控的超硬耐磨材料至今仍然十分困難，特別是制備出微觀珊瑚狀結(jié)構(gòu)，大孔結(jié)構(gòu)，顆粒結(jié)構(gòu)等超硬耐磨材料至今仍然是個挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料，所述材料包括Ti金屬基底，生長Ti金屬基底上的多孔TiCV薄膜，以及填充多孔T1 2薄膜的SiC晶體；所述多孔TiCV薄膜具有空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，由多壁韌性1102納米纖維組成。
[0007]一種超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料的制備方法，該方法主要包括以下步驟:
(1)水熱法制備多壁韌性1102納米纖維:將鈦片置于反應(yīng)釜里，并用濃度為2mol/L的NaOH水溶液浸沒鈦片；將反應(yīng)釜在220°C _240°C下反應(yīng)2_10小時；反應(yīng)結(jié)束后自然降溫至20-500C ;取出鈦片，用蒸餾水沖洗，在鈦片表面得到的多孔TiCV薄膜；
(2)磁控濺射制備取向生長結(jié)構(gòu):以SiC為濺射靶材，以步驟I處理后的鈦片為濺射基底，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm，通入氬氣，工作壓強為0.6Pa_2.0Pa之間，射頻功率為150W-200W ;在以上條件下濺射60分鐘-120分鐘，在鈦片上得到多孔SiC/Ti(V薄膜；
(3)高溫?zé)Y(jié)制備超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料:將步驟2處理后的鈦片在2小時內(nèi)升溫至1600°C，在1600°C燒制2小時，然后自然降到室溫，得到超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明先在Ti金屬基片上生長多壁韌性T12納米纖維構(gòu)筑的空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，再通過磁控濺射技術(shù)在所述T12納米纖維表面制備SiC水泥，然后通過高溫?zé)Y(jié)使SiC水泥致密地填充于空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)中。多壁韌性T12納米纖維與耐磨的SiC形成“鋼筋/水泥”結(jié)構(gòu)，不僅保證了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韌性，有效避免了高硬度材料易粉碎的問題。
【附圖說明】
[0009]圖1為“鋼筋-水泥”結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為水熱法后得到的得到韌性T12納米纖維的SEM側(cè)面圖；
圖3為磁控濺射后得到的得到多孔SiC/Ti(V薄膜的SEM圖；
圖4為磁控濺射后得到的得到多孔SiC/Ti(V薄膜的TEM圖；
圖5A-C是本發(fā)明不同時期的超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料的SEM圖像，燒結(jié)溫度分別為1400、1500、1600°C，圖5A*_C*為對應(yīng)圖5A-C放大后的圖像；(靶極距為3cm、工作壓強為IPa、濺射功率為200W、濺射時間為90min)；
圖6是SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料的XRD圖；
圖7是SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料AFM測量表面楊氏模量示意圖。
【具體實施方式】
[0010]如圖1所示，一種超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料，所述材料是在Ti金屬基片上生長多壁韌性T12納米纖維構(gòu)筑的空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，再通過磁控濺射技術(shù)在所述T12納米纖維表面制備SiC水泥，然后通過高溫?zé)Y(jié)使SiC水泥致密地填充于空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)中。多壁韌性T12納米纖維與耐磨的SiC形成“鋼筋/水泥”結(jié)構(gòu)，不僅保證了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韌性，有效避免了高硬度材料易粉碎的問題。同時，1102納米纖維由是在Ti基底自主裝生長，為一體化，所以與Ti基底的結(jié)合力巨大，能有效防止由于外力的沖擊下導(dǎo)致的SiC圖層的脫落，這種“鋼筋”與基底之間有較強的作用力，耐磨層不易從基底上脫落。
[0011]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0012]實施例1
本實施例制備超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料，包括以下步驟:
1.水熱法制備多壁韌性打02網(wǎng)孔結(jié)構(gòu):
該制備方法為現(xiàn)有技術(shù)，具體為:將鈦片放入丙酮中超聲清洗8-10分鐘，然后放入干燥箱里烘干。將鈦片傾斜放入清洗過的反應(yīng)釜里，并用濃度為2mol/L的NaOH溶液浸沒。將反應(yīng)釜放在電阻爐中用220°C -240°C的溫度加熱2-10個小時，自然降至室溫(25°C )。取出鈦片，用蒸餾水沖洗，烘干，得到所需的網(wǎng)孔狀打02納米纖維陣列。如圖2所示，T12納米纖維陣列與鈦片基底為一體化，兩者之間緊密結(jié)合。
[0013]2.磁控濺射制備SiC/Ti02/Ti復(fù)合材料:
將SiC靶材和1102納米管基底置于KCCK-1II多靶磁控濺射儀中，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm (以控制正常濺射速率，而不浪費);通入氬氣，工作壓強為0.6Pa_2.0Pa之間(以保證啟輝)；功率為150W-200W (以保證可以濺射出大小均勻的靶分子，但不會燒壞靶材)。在以上條件下濺射60-120分鐘，以在T12納米纖維表面制備SiC水泥結(jié)構(gòu)。如圖4所示，多孔51(:/1102薄膜由多壁韌性T1 2納米纖維以及包覆T12納米纖維的SiC水泥構(gòu)成，如圖3所示，SiC/Ti(V薄膜具有多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，為SiC建立了一個堅固的牢籠結(jié)構(gòu)。
[0014]3.高溫?zé)Y(jié)制備超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料:
按照上述方法制備出3個SiC/Ti02/Ti復(fù)合材料，將3個SiC/Ti02/Ti復(fù)合材料分別放入CVD (G) -06/60/3型高溫管式爐中，在2小時內(nèi)升溫至指定溫度(1400、1500、1600°C，低于SiC熔點，防止燒焦)，在指定溫度下燒制2小時，在10~15小時內(nèi)降到室溫，得到超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料。燒結(jié)溫度不同，得到的產(chǎn)物的形貌也不同，如圖5A~C所示，從圖中可以看出，在溫度為1400°C時，SiC水泥顆粒較大，對T12納米纖維團簇包覆不是很緊密，導(dǎo)致在T12納米纖維團簇中還存在一些空隙與氣泡，會較低表面凸起顆粒的力學(xué)性能。而在1500°C時，SiC水泥逐漸對1102納米纖維團簇包覆均勻，但是由于分子活動仍然不夠劇烈，導(dǎo)致了 SiC水泥沒有繼續(xù)下移，使得材料內(nèi)部可能還有氣泡，并且此時便面顆粒不夠明顯；只有在1600°C時，SiC水泥猜對T12納米纖維團簇進行的完全意義上的包覆與灌注，并且由于內(nèi)部無空間，導(dǎo)致SiC水泥下沉，導(dǎo)致表面顆粒均勻顯現(xiàn)；當(dāng)溫度大于1600°C時，將會導(dǎo)致SiC材料燒焦，并且升溫困難，操作不便。在1600°C下燒結(jié)得到的產(chǎn)物的XRD圖譜如圖6所示，T12結(jié)晶度良好，通過磁控濺射法制備上的水泥結(jié)構(gòu)的SiC為微晶態(tài)，經(jīng)過燒結(jié)后的SiC/Ti復(fù)合陶瓷材料其SiC結(jié)晶良好。1600°C下燒結(jié)得到的產(chǎn)物的硬度分析如圖7所示，圖7中可以看出，該材料硬度隨著溫度的升高而逐漸增加，已經(jīng)達到SiC的硬度，并且本材料結(jié)合有T12納米纖維團簇的優(yōu)良韌性與和基底緊密結(jié)合度，充分體現(xiàn)出了鋼筋/水泥結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
【主權(quán)項】
1.一種超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料，其特征在于:所述材料包括Ti金屬基底，生長在Ti金屬基底上的多孔TiCV薄膜，以及填充多孔T1 2薄膜的SiC晶體；所述多孔T1 2薄膜具有空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，由多壁韌性1102納米纖維組成。
2.—種權(quán)利要求1所述超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于:該方法主要包括以下步驟: Cl)水熱法制備多壁韌性1102納米纖維:將鈦片置于反應(yīng)釜里，并用濃度為2mol/L的NaOH水溶液浸沒鈦片；將反應(yīng)釜在220°C _240°C下反應(yīng)2_10小時；反應(yīng)結(jié)束后自然降溫至20-500C ;取出鈦片，用蒸餾水沖洗，在鈦片表面得到的多孔TiCV薄膜； (2)磁控濺射制備取向生長結(jié)構(gòu):以SiC為濺射靶材，以步驟I處理后的鈦片為濺射基底，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm，通入氬氣，工作壓強為0.6Pa_2.0Pa之間，射頻功率為150W-200W ;在以上條件下濺射60分鐘-120分鐘，在鈦片上得到多孔SiC/Ti(V薄膜； (3)高溫?zé)Y(jié)制備超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料:將步驟2處理后的鈦片在2小時內(nèi)升溫至1600°C，在1600°C燒制2小時，然后自然降到室溫，得到超硬耐磨SiC/Ti02/Ti復(fù)合陶瓷材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種超硬耐磨SiC/TiO2/Ti復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，所述材料是在Ti金屬基片上生長多壁韌性TiO2納米纖維構(gòu)筑的空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，再通過磁控濺射技術(shù)在所述TiO2納米纖維表面制備SiC水泥，然后通過高溫?zé)Y(jié)使SiC水泥致密地填充于空間網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)中。多壁韌性TiO2納米纖維與耐磨的SiC形成“鋼筋/水泥”結(jié)構(gòu)，不僅保證了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韌性，有效避免了高硬度材料易粉碎的問題。
【IPC分類】C23C14-06, C23C22-64, C23C14-58, C23C14-35
【公開號】CN104878346
【申請?zhí)枴緾N201510162471
【發(fā)明人】董文鈞, 陳旭
【申請人】浙江理工大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月8日