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专利号: 201811626076X
申请人: 齐鲁工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 水泥;混凝土;人造石;陶瓷;耐火材料〔4〕
更新日期:2025-02-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种WB2与氧化石墨烯自组装包覆Si3N4协同强韧化的陶瓷刀具材料,是由以下质量百分比的原料经热压烧结而成:硼化钨5~30%,氧化石墨烯包覆氮化硅5~30%,氧化镁0.25~5%,镍0.5~5%,钼

0.5~5%,其余为Al2O3;其中,

所述氧化石墨烯包覆氮化硅是按以下方法制得:

在双氧水中于80~90℃温度下将氮化硅进行表面氧化;然后,

将表面氧化的氮化硅粉体于水醇溶液中分散,加入硅烷偶联剂水解溶液,在pH值8~9、

80~90℃条件下进行反应,制得表面接枝改性的氮化硅;然后,

将表面接枝改性的氮化硅置于蒸馏水中并调节pH至3~5,然后滴加到pH值为9~11的氧化石墨烯溶液中,分散均匀,分离,清洗,干燥,得到氧化石墨烯包覆氮化硅。

2.根据权利要求1所述的陶瓷刀具材料,其特征在于,原料质量百分比组成为:硼化钨5~20%,氧化石墨烯包覆氮化硅5~20%,氧化镁0.25~2%,镍1~3%,钼0.5~3%,其余为Al2O3;优选的,原料质量百分比组成为:硼化钨7~12%,氧化石墨烯包覆氮化硅7~15%,氧化镁0.55~1%,镍1.2~1.5%,钼1~1.5,其余为Al2O3。

3.根据权利要求1所述的陶瓷刀具材料,其特征在于,所述的硼化钨的平均粒径为100~400nm,优选硼化钨的平均粒径为200~300nm;所述氧化铝平均粒径为200~400nm,优选所述氧化铝平均粒径为200~300nm;所述的氧化石墨烯包覆氮化硅的平均粒径为205~

310nm。

4.根据权利要求1所述的陶瓷刀具材料,其特征在于,所述氧化石墨烯包覆氮化硅制备过程中,优选的制备条件如下列之一种或多种:a.双氧水溶液浓度为15%~30%质量百分比;采用超声搅拌使Si3N4粉体在双氧水充分分散;

b.按每升双氧水溶液计,Si3N4粉体的加入量为10~20g/L,进一步优选,对所述氧化处理的时间为15~30min;

c.所述表面氧化的Si3N4粉体质量与所述水醇溶液体积之比为1~2g:200~300mL,进一步的,所述水醇溶液为水与水醇体积比1~1.5:1~1.5的溶液;

d.所述偶联剂水解溶液是:将偶联剂溶于水醇溶液中,超声搅拌30~60min充分水解;

本发明首先将偶联剂用水醇混合溶液水解,使得偶联剂更易于分散,进一步的,以表面氧化的Si3N4粉体质量为100g计,所述偶联剂的质量与所述水醇溶液的体积之比为2.5~10g:50~100mL,所述水醇溶液为水与水醇体积比1~1.5:1~1.5的溶液;

d.所述pH值为9~11的氧化石墨烯水分散液按以下方法配制:

将氧化石墨烯(GO)加入蒸馏水中,超声分散,氧化石墨烯分散液浓度为0.3~0.6mg/mL;通过滴加氨水调节氧化石墨烯分散液的pH值=8~10;

f.所述调节pH值为3~5是滴加质量分数10~15%的稀盐酸调节;

g.所述干燥是,将所得沉淀物置于真空干燥箱中,60~80℃真空干燥;优选干燥时间10~12h。

5.权利要求1-4任一项所述的陶瓷刀具材料的制备方法,包括步骤:(1)将聚乙二醇加入适量的无水乙醇进行超声分散并机械搅拌30~60min,然后加入Al2O3继续超声分散并机械搅拌1~2h,制得Al2O3悬浮液,按比例称取硼化钨,以适量的无水乙醇为分散介质,超声分散30~60min,将其与Al2O3悬浮液混合,震荡搅拌30~60min,干燥制得Al2O3/WB2复合粉体,备用;

(2)称取Si3N4粉体原料,添加到双氧水溶液中,超声搅拌30~60min,然后在80~90℃恒温环境中搅拌反应20~30min,冷却到室温,离心分离,并用蒸馏水清洗2~3次,获得表面氧化的Si3N4粉体;

(3)将步骤(2)中表面氧化的Si3N4粉体置于水醇溶液中超声分散并机械搅拌1~1.5h,加入硅烷偶联剂水解溶液,然后用氨水调节pH值至8~9,在80~90℃恒温下搅拌反应4~

5h,离心分离,并用无水乙醇和蒸馏水各洗一次,获得表面接枝改性的Si3N4;

(4)将步骤(3)中表面接枝改性的Si3N4置于蒸馏水并滴加稀盐酸溶液调节pH至3~5,然后滴加到pH值为9~11的氧化石墨烯溶液中,所述的表面接枝改性的Si3N4与氧化石墨烯的质量比为(15~35):(1~1.5);超声分散50~60min,离心分离,并用蒸馏水清洗1~2次,干燥后得到Si3N4@GO复合粉体,备用;

(5)将步骤(1)所得的Al2O3/WB2复合粉体加入到适量的无水乙醇中超声分散30~

60min,按比例称取氧化镁、镍、钼,加入到适量的无水乙醇中,并加入适量的聚乙二醇超声分散1~1.5h,将两种混合溶液混合,超声分散并机械搅拌1~2h,然后倒入球磨罐中,加入球磨球,充入氮气作为保护气体,球磨30~40h,得到球磨后混合物;

(6)按比例称取步骤(4)的Si3N4@GO复合粉体,加入适量的无水乙醇作为分散介质配成悬浮液,超声分散20~30min;

(7)将步骤(6)中得到的悬浮液加入到步骤e中的球磨罐中,加入球磨球,充入氮气作为保护气体,继续球磨4~6h;

(8)取步骤(7)中的球磨浆料,置于干燥箱中,在100~110℃条件下真空干燥35~40h,干燥后将混合粉体过筛,得到复合粉体;

(9)将步骤(8)所得干燥的复合粉体装入到材质为石墨的模具中进行热压烧结,得到WB2与氧化石墨烯自组装包覆Si3N4协同强韧化的陶瓷刀具材料。

6.如权利要求5所述的陶瓷刀具材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的聚乙二醇的质量为Al2O3质量的1~5%。

7.如权利要求5所述的陶瓷刀具材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)的反应条件包括以下之一种或两种:a.所述的Si3N4粒子的平均粒径为100~400nm;

b.按每升双氧水计,Si3N4粉体的加入量为10~20g/L。

8.如权利要求5所述的陶瓷刀具材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)的反应条件包括以下之一种或多种:a.所述硅烷偶联剂选自3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)、N-2(氨乙基)3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH910)或N-2(氨乙基)3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH602)等偶联剂的任意一种;

b.所述水醇混合溶液是无水乙醇与水体积比1~1.5:1~1.5的混合溶液;所述的硅烷偶联剂水解溶液为硅烷偶联剂质量与所述水醇混合溶液体积之比为1~2g:600~1200mL组合;

c.所述的表面氧化的Si3N4粉体质量与所述水醇溶液体积之比为1~2g:200~300mL;

d.所述硅烷偶联剂质量为表面氧化的Si3N4质量的4~6%。

9.如权利要求5所述的陶瓷刀具材料的制备方法,其特征在于,步骤(4)的反应条件包括以下之一种或多种:a.氧化石墨烯的最长向径为0.8~1.2μm;

b.所述的表面接枝改性的Si3N4与氧化石墨烯的质量比为15~35:1~1.5;

c.所述的表面接枝改性的Si3N4与氧化石墨烯的质量比为18~30:1。

10.如权利要求5所述的陶瓷刀具材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)~(9)的反应条件包括以下之一种或多种:步骤(5)中,所述的聚乙二醇的质量为氧化镁、镍、和钼总质量的1~5%;

步骤(6)中,所述的氧化石墨烯包覆氮化硅Si3N4@GO复合粉体与无水乙醇的质量比为:1~2g:200~500mL;

步骤(5)、(7)中,所述球磨球是硬质合金材质的球磨球;球料质量比为10~20:1;

步骤(8)中,所述的筛网为200~300目;

步骤(9)中,所述热压烧结条件为:烧结温度1600~1700℃,热压压力30~35MPa,保温时间30~40min,升温速度20~25℃/min。