一种超硬耐磨SiC/TiO2/Ti复合陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种超硬耐磨SiC/TiO2/Ti复合陶瓷材料及其制备方法，所述材料是在Ti金属基片上生长多壁韧性TiO2纳米纤维构筑的空间网孔状结构，再通过磁控溅射技术在所述TiO2纳米纤维表面制备SiC水泥，然后通过高温烧结使SiC水泥致密地填充于空间网孔状结构中。多壁韧性TiO2纳米纤维与耐磨的SiC形成“钢筋/水泥”结构，不仅保证了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韧性，有效避免了高硬度材料易粉碎的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型超硬耐磨陶瓷材料，尤其涉及一种超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业具有十分重要的作用。如农业、化工、建材等起着重要作用。耐磨材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。耐磨材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型耐磨材料是除电子信息材料以外的主要耐磨材料。

耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85% 。随着信息社会的到来，特种耐磨材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

目前耐磨材料主要有以下几大类：耐磨球、耐磨钢板、耐磨焊条、耐磨陶瓷、耐磨地坪、耐磨橡胶、耐磨管道、耐磨轴承、耐磨焊材、耐磨铸件、铸石、高分子等其它耐磨材料，但是其为纳米结构的控制十分的困难。制备出一种大面积微观形貌可控的超硬耐磨材料至今仍然十分困难，特别是制备出微观珊瑚状结构，大孔结构，颗粒结构等超硬耐磨材料至今仍然是个挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料，所述材料包括Ti金属基底，生长Ti金属基底上的多孔TiO₂薄膜，以及填充多孔TiO₂薄膜的SiC晶体；所述多孔TiO₂薄膜具有空间网孔状结构，由多壁韧性TiO₂纳米纤维组成。

一种超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料的制备方法，该方法主要包括以下步骤：

（1）水热法制备多壁韧性TiO₂纳米纤维：将钛片置于反应釜里，并用浓度为2mol/L的NaOH水溶液浸没钛片；将反应釜在220℃-240℃下反应2-10小时；反应结束后自然降温至20~50℃；取出钛片，用蒸馏水冲洗，在钛片表面得到的多孔TiO₂薄膜；

（2）磁控溅射制备取向生长结构：以SiC为溅射靶材，以步骤1处理后的钛片为溅射基底，调节靶级距为3cm-4cm，通入氩气，工作压强为0.6Pa-2.0Pa之间，射频功率为150W-200W；在以上条件下溅射60分钟-120分钟，在钛片上得到多孔SiC/TiO₂薄膜；

（3）高温烧结制备超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料：将步骤2处理后的钛片在2小时内升温至1600^oC，在1600^oC烧制2小时，然后自然降到室温，得到超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明先在Ti金属基片上生长多壁韧性TiO₂纳米纤维构筑的空间网孔状结构，再通过磁控溅射技术在所述TiO₂纳米纤维表面制备SiC水泥，然后通过高温烧结使SiC水泥致密地填充于空间网孔状结构中。多壁韧性TiO₂纳米纤维与耐磨的SiC形成“钢筋/水泥”结构，不仅保证了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韧性，有效避免了高硬度材料易粉碎的问题。

附图说明

图1为“钢筋-水泥”结构的复合陶瓷材料的结构示意图；

图2为水热法后得到的得到韧性TiO₂纳米纤维的SEM侧面图；

图3为磁控溅射后得到的得到多孔SiC/TiO₂薄膜的SEM图；

图4为磁控溅射后得到的得到多孔SiC/TiO₂薄膜的TEM图；

图5A-C是本发明不同时期的超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料的SEM图像，烧结温度分别为1400、1500、1600℃，图5A*-C*为对应图5A-C放大后的图像；(靶极距为3cm、工作压强为1Pa、溅射功率为200W、溅射时间为90min)；

图6是SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料的XRD图；

图7是SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料AFM测量表面杨氏模量示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料，所述材料是在Ti金属基片上生长多壁韧性TiO₂纳米纤维构筑的空间网孔状结构，再通过磁控溅射技术在所述TiO₂纳米纤维表面制备SiC水泥，然后通过高温烧结使SiC水泥致密地填充于空间网孔状结构中。多壁韧性TiO₂纳米纤维与耐磨的SiC形成“钢筋/水泥”结构，不仅保证了材料的硬度和耐磨性，也具有高度的韧性，有效避免了高硬度材料易粉碎的问题。同时，TiO₂纳米纤维由是在Ti基底自主装生长，为一体化，所以与Ti基底的结合力巨大，能有效防止由于外力的冲击下导致的SiC图层的脱落，这种“钢筋”与基底之间有较强的作用力，耐磨层不易从基底上脱落。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例制备超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料，包括以下步骤：

1.水热法制备多壁韧性TiO₂网孔结构：

该制备方法为现有技术，具体为：将钛片放入丙酮中超声清洗8-10分钟，然后放入干燥箱里烘干。将钛片倾斜放入清洗过的反应釜里，并用浓度为2mol/L的NaOH溶液浸没。将反应釜放在电阻炉中用220℃-240℃的温度加热2-10个小时，自然降至室温（25℃）。取出钛片，用蒸馏水冲洗，烘干，得到所需的网孔状TiO₂纳米纤维阵列。如图2所示，TiO₂纳米纤维阵列与钛片基底为一体化，两者之间紧密结合。

2.磁控溅射制备SiC/TiO₂/Ti复合材料：

将SiC靶材和TiO₂纳米管基底置于KCCK-III多靶磁控溅射仪中，调节靶级距为3cm-4cm（以控制正常溅射速率，而不浪费）；通入氩气，工作压强为0.6Pa-2.0Pa之间（以保证启辉）；功率为150W-200W（以保证可以溅射出大小均匀的靶分子，但不会烧坏靶材）。在以上条件下溅射60-120分钟，以在TiO₂纳米纤维表面制备SiC水泥结构。如图4所示，多孔SiC/TiO₂薄膜由多壁韧性TiO₂纳米纤维以及包覆TiO₂纳米纤维的SiC水泥构成，如图3所示，SiC/TiO₂薄膜具有多孔网络状结构，为SiC建立了一个坚固的牢笼结构。

3. 高温烧结制备超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料：

按照上述方法制备出3个SiC/TiO₂/Ti复合材料，将3个SiC/TiO₂/Ti复合材料分别放入CVD(G)-06/60/3型高温管式炉中，在2小时内升温至指定温度（1400、1500、1600^oC，低于SiC熔点，防止烧焦），在指定温度下烧制2小时，在10~15小时内降到室温，得到超硬耐磨SiC/TiO₂/Ti复合陶瓷材料。烧结温度不同，得到的产物的形貌也不同，如图5A~C所示，从图中可以看出，在温度为1400℃时，SiC水泥颗粒较大，对TiO₂纳米纤维团簇包覆不是很紧密，导致在TiO₂纳米纤维团簇中还存在一些空隙与气泡，会较低表面凸起颗粒的力学性能。而在1500^oC时，SiC水泥逐渐对TiO₂纳米纤维团簇包覆均匀，但是由于分子活动仍然不够剧烈，导致了SiC水泥没有继续下移，使得材料内部可能还有气泡，并且此时便面颗粒不够明显；只有在1600℃时，SiC水泥猜对TiO₂纳米纤维团簇进行的完全意义上的包覆与灌注，并且由于内部无空间，导致SiC水泥下沉，导致表面颗粒均匀显现；当温度大于1600℃时，将会导致SiC材料烧焦，并且升温困难，操作不便。在1600℃下烧结得到的产物的XRD图谱如图6所示，TiO₂结晶度良好，通过磁控溅射法制备上的水泥结构的SiC为微晶态，经过烧结后的SiC/Ti复合陶瓷材料其SiC结晶良好。1600℃下烧结得到的产物的硬度分析如图7所示，图7中可以看出，该材料硬度随着温度的升高而逐渐增加，已经达到SiC的硬度，并且本材料结合有TiO₂纳米纤维团簇的优良韧性与和基底紧密结合度，充分体现出了钢筋/水泥结构的优势。