CN106112831B - 一种石墨烯改性陶瓷磨具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性陶瓷湿磨料，其原料组分包括氧化石墨烯、磨料、固体碱，其中，氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为(0.1～6)：(4～5)：(1～3)；以及一种石墨烯改性陶瓷磨具材料，由石墨烯改性湿磨料、陶瓷结合剂和填料混合热压而成，所述石墨烯改性湿磨料：低温陶瓷结合剂：填料的质量比为(80～82):(10～15):(3～5)。本发明采用新型二维结构的石墨烯与磨料进行复合，不仅可以提高陶瓷磨具的抗拉强度和韧性，还可以提升模具的防腐蚀性能等，从而延长磨具的使用寿命。

Description

一种石墨烯改性陶瓷磨具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种分布有石墨烯的陶瓷湿磨料及石墨烯改性陶瓷磨具材料，属于陶瓷磨具材料领域。

背景技术

磨料是锐利、坚硬的材料，用以磨削较软的材料表面。磨料是制造每一种精密产品所必不可少的材料。许多天然磨料，已被人造磨料所代替。除金刚石外，天然磨料的性能都不太稳定，不过仍有其使用价值。磨料在工业上应用非常广泛，特别是加工高精度或低粗糙度的零件或特别硬的零件时，磨料和磨具是必不可少的。此外，对于刀具的刃磨和坚硬材料的切割，砂轮也是必不可少的工具。在汽车制造业中，活塞环与气缸、阀门与阀座的紧密配合，变速器和齿轮的精度等，都要用磨料和磨具加工，才能保证。其他有关的新制品，如塑性黏结滚磨机用介质，为大量零件的去毛刺节省时间，提高了生产率。磨料的重要性能之一是它的硬度，它必须比待加工材料更硬，常用莫氏硬度计测定各种磨料的硬度。磨料的另一重要性能是韧性或体积强度。

将石墨烯应用到陶瓷磨具材料中，可以提高陶瓷磨具的强度和韧性,延长陶瓷磨具的使用寿命。专利200910069312.7中将氧化石墨与前躯体陶瓷材料进行复合，得到石墨烯与前躯体陶瓷复合材料，提升了复合材料的电化学性能，但是该方法只局限于以聚硅氧烷或聚硅氮烷液为原料的陶瓷复合材料，且工艺复杂，条件苛刻，需要氩气中1000℃下还原。专利201410010409.1中将石墨烯加入到白刚玉原料中，制备出含石墨烯的白刚玉砂轮，虽然砂轮强度和粘结程度有所增加，但是其主要作用的还是多聚磷酸钠和乳酸铝溶胶等复合结合剂，石墨烯的作用目的是增加润滑性。而该制备方法中，直接以石墨烯为原料与磨料进行混合，而石墨烯与磨料之间无法达到很好的键合作用，也无法保证石墨烯在磨料中的均匀分散。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了分散有石墨烯的石墨烯改性陶瓷湿磨料，该湿磨料中分散的石墨烯和氧化石墨烯的含量高，且分散均匀；

本发明的另一目的是提供上述石墨烯改性陶瓷湿磨料的制备方法，该方法工艺设计巧妙、简单易行；

本发明的又一目的是提供一种力学强度好的石墨烯改性陶瓷磨具材料，解决了现有技术中石墨烯改性陶瓷磨具石墨烯含量不高和分散性不好的问题；

本发明的又一目的是提供上述石墨烯改性陶瓷磨具材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种石墨烯改性陶瓷湿磨料，其原料组分包括氧化石墨烯、磨料、固体碱，其中，氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为(0.1～6)：(4～5)：(1～3)。

作为上述方案的优选方案，上述石墨烯改性陶瓷湿磨料，氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为(2～5)：4.6：2。

作为上述方案的最佳方案，上述石墨烯改性陶瓷湿磨料，氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为4.2：4.6：2。

优选的，所述磨料采用立方氮化硼、刚玉、碳化硅、金刚石中的一种或多种的组合，优选采用立方氮化硼。

优选的，所述固体碱采用KOH和/或NaOH，优选KOH。

上述的石墨烯改性陶瓷湿磨料的制备方法，包括如下步骤：

a.按配比，磨料加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，在向混合溶液中加入固体碱，搅拌至均匀。

b.加入步骤a中所得混合物料质量的2～4倍的水，搅拌均匀后，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料。

优先的，所述步骤a中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1％～5％，优选4.2％；

进一步优选的，在高速搅拌下加入固体碱；优选的，搅拌速度为1000±20rpm/min；在15～30min完成加碱过程。

优选的，所述步骤b中，搅拌10～30min，搅拌速度为1000±20rpm/min。

进一步优选的，加入水的量为混合物料质量的2～3倍。

一种石墨烯改性陶瓷磨具材料，由石墨烯改性湿磨料、陶瓷结合剂和填料混合热压而成，所述石墨烯改性湿磨料：低温陶瓷结合剂：填料的质量比为(80～82):(10～15):(3～5)，优选为81：12：4.5；进一步优选的，所述石墨烯改性湿磨料为上述提到的石墨烯改性湿磨料。

优选的，所述陶瓷结合剂为低温陶瓷结合剂，优选含硼结合剂；所述填料采用金属粉，例如：铜粉、铝粉、合金粉、铁粉，优选铝粉与铁粉按2：1的质量比的混合。

上述石墨烯改性陶瓷磨具材料的制备工艺，包括如下步骤：

1)按配比，将石墨烯改性湿磨料加入到陶瓷结合剂和填料中，并搅拌均匀；

2)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料。

优选的，所述热压成型工艺条件：热压温度220～280℃，压力10～16MPa，热压时间20～60min；优选的，热压温度260℃，压力15MPa，热压时间40min。

上述石墨烯改性陶瓷磨具材料在制备砂轮中的应用，例如：刀具、磨盘、磨环、磨块等。

本发明的有益效果是：

本发明采用新型二维结构的石墨烯与磨料进行复合，不仅可以提高陶瓷磨具的抗拉强度和韧性，还可以提升模具的防腐蚀性能等，从而延长磨具的使用寿命。具体有以下突出特点：

(1)在湿磨料制备阶段，本发明以氧化石墨烯为原料，将磨料加入到氧化石墨烯溶液中，使石墨烯在磨料中更好的分散，实现石墨烯与磨料之间更好的结合，从而有效的增加了石墨烯的含量，含量可达5％；

(2)将固体碱直接加入氧化石墨烯溶液中，利用固体碱加入溶液时溶解放热的能量促使碱对氧化石墨烯进行初步的还原，所得湿磨料在作为磨具材料的制备中，为后续热压还原减少负荷；

(3)本发明磨具材料制备方法简单，条件温和，成本低，适合工业化生产。

(4)本发明磨具材料抗拉强度可达197.6MPa，较现有不含石墨烯的磨具材料提升50％以上，洛氏硬度可达6.5，提升10％以上，防腐性能提升1倍以上。

说明书附图

图1为本发明磨具材料制备方法工艺流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明

实施例1：

本发明石墨烯改性湿磨料与石墨烯改性磨具材料的制备，原料配方参见表1，工艺流程参见附图1，具体如下：

(1)按配方量称取氧化石墨烯，加水配制浓度为4.2％的氧化石墨烯溶液；

(2)将磨料(立方氮化硼)加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

(3)称取固体KOH，在高速搅拌(1000±20rpm/min)的条件下，直接加入到含有磨料的氧化石墨烯溶液中，15-30min加完碱，形成混合液；

(4)加入2倍于混合液的水，搅拌10～30min(转速1000±20rpm/min)，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料；

(5)将改性湿磨料与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀，低温陶瓷结合剂是一种执固型陶瓷结合剂，一般在200℃左右即可完成热压型。作为本实施例作为最优选实施例，所述低湿陶瓷结合剂以热固型的含硼结合剂为佳；所述填料为金属粉，如：铜粉、铝粉、铁粉、合金粉等，本实施例作为最优选实施例，采用铝粉与铁粉按质量比1：1的混合粉末作为填料，可最有效的增强陶瓷磨具材料的强度、硬度和韧性；

(6)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，实施例作为最优选实施例，热压工艺条件为：热压温度260℃，压力15MPa，热压时间40min。

实施例2：

本发明石墨烯改性湿磨料与石墨烯改性磨具材料的制备，原料配方参见表1，工艺流程参见附图1，具体如下：

(1)按配方量称取氧化石墨烯，加水配制浓度为0.1％的氧化石墨烯溶液；

(2)将磨料(刚玉)加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

(3)称取固体NaOH，在高速搅拌(1000±20rpm/min)的条件下，直接加入到含有磨料的氧化石墨烯溶液中，15-30min加完碱，形成混合液；

(4)加入1倍于混合液的水，搅拌10～30min(转速1000±20rpm/min)，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料；

(5)将改性湿磨料与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀，低温陶瓷结合剂是一种执固型陶瓷结合剂，一般在200℃左右即可完成热压型，所述填料采用铜粉；

(6)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，热压工艺条件为：热压温度280℃，压力10MPa，热压时间60min。

实施例3：

本发明石墨烯改性湿磨料与石墨烯改性磨具材料的制备，原料配方参见表1，工艺流程参见附图1，具体如下：

(1)按配方量称取氧化石墨烯，加水配制浓度为6％的氧化石墨烯溶液；

(2)将磨料(碳化硅)加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

(3)称取固体KOH，在高速搅拌(1000±20rpm/min)的条件下，直接加入到含有磨料的氧化石墨烯溶液中，15-30min加完碱，形成混合液；

(4)加入3倍于混合液的水，搅拌10～30min(转速1000±20rpm/min)，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料；

(5)将改性湿磨料与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀；低温陶瓷结合剂是一种执固型陶瓷结合剂，一般在200℃左右即可完成热压型；所述填料采用铝粉；

(6)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，热压工艺条件为：热压温度220℃，压力16MPa，热压时间20min。

实施例4：

本发明石墨烯改性湿磨料与石墨烯改性磨具材料的制备，原料配方参见表1，工艺流程参见附图1，具体如下：

(1)按配方量称取氧化石墨烯，加水配制浓度为2％的氧化石墨烯溶液；

(2)将磨料(金刚石)加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

(3)称取固体KOH，在高速搅拌(1000±20rpm/min)的条件下，直接加入到含有磨料的氧化石墨烯溶液中，15-30min加完固体碱，形成混合液；

(4)加入2倍于混合液的水，搅拌10～30min(转速1000±20rpm/min)，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料；

(5)将改性湿磨料与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀，低温陶瓷结合剂是一种执固型陶瓷结合剂，一般在200℃左右即可完成热压型。所述填料为铁粉；

(6)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，热压工艺条件为：热压温度240℃，压力15MPa，热压时间30min。

实施例5：

本发明石墨烯改性湿磨料与石墨烯改性磨具材料的制备，原料配方参见表1，工艺流程参见附图1，具体如下：

(1)按配方量称取氧化石墨烯，加水配制浓度为5％的氧化石墨烯溶液；

(2)将磨料(刚玉)加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀；

(3)称取固体KOH，在高速搅拌(1000±20rpm/min)的条件下，直接加入到含有磨料的氧化石墨烯溶液中，15-30min加完固体碱，形成混合液；

(4)加入3倍于混合液的水，搅拌10～30min(转速1000±20rpm/min)，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性湿磨料；

(5)将改性湿磨料与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀，低温陶瓷结合剂是一种执固型陶瓷结合剂，一般在200℃左右即可完成热压型。所述填料采用铜粉和铝粉按1：2的质量比的混合金属粉末；

(6)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，实施例作为最优选实施例，热压工艺条件为：热压温度270℃，压力12MPa，热压时间50min。

对比例1：

采用一般的磨料，如市面上的立方氮化硼、刚玉、碳化硅、金刚石，本实施例以实施例1的立方氮化硼进行对比实验，不进行石墨烯改性，直接与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀；热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，热压工艺条件同实施例1。

对比例2：

采用一般的磨料，如市面上的立方氮化硼、刚玉、碳化硅、金刚石，本实施例以刚玉进行对比实验，不进行石墨烯改性，直接与低温陶瓷结合剂和填料混合，并搅拌均匀；热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料，热压工艺条件同实施例1。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：由石墨烯改性陶瓷湿磨料、陶瓷结合剂和填料混合热压而成，所述石墨烯改性陶瓷湿磨料：陶瓷结合剂：填料的质量比为(80～82):(10～15):(3～5)；

所述石墨烯改性陶瓷湿磨料的原料组分包括：氧化石墨烯、磨料、固体碱，其中，所述氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为(2～5)：4.6：2，且按照如下方法制备而成，包括如下步骤：

a.按所述石墨烯改性陶瓷湿磨料中的原料组分及配比关系，磨料加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，再向混合溶液中加入固体碱，搅拌至均匀；

b.加入步骤a中所得混合物料质量2～4倍的水，搅拌均匀后，抽滤或压滤除水，得到石墨烯改性陶瓷湿磨料。

2.根据权利要求1所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述氧化石墨烯：磨料：固体碱的质量比为4.2：4.6：2。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述磨料采用立方氮化硼、刚玉、碳化硅、金刚石中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述固体碱采用KOH和/或NaOH。

5.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述步骤a中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1％～5％。

6.根据权利要求5所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述步骤a中，所述氧化石墨烯溶液的浓度为4.2％。

7.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述步骤a中，在高速搅拌下加入固体碱。

8.根据权利要求7所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述在高速搅拌下加入固体碱的搅拌速度为1000±20rpm/min；在15～30min完成加碱过程。

9.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述步骤b中，搅拌10～30min，搅拌速度为1000±20rpm/min。

10.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述步骤b中，加入水的量为混合物料质量的2～3倍。

11.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述石墨烯改性陶瓷湿磨料：陶瓷结合剂：填料的质量比为81：12：4.5。

12.根据权利要求1或2所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述陶瓷结合剂为低温陶瓷结合剂；所述填料采用金属粉。

13.根据权利要求12所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料，其特征在于：所述陶瓷结合剂为含硼结合剂；所述填料采用铝粉与铁粉按2：1的质量比的混合。

14.根据权利要求1-13任一项所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

1)按配比，将石墨烯改性陶瓷湿磨料加入到陶瓷结合剂和填料中，并搅拌均匀；

2)经过热压成型工艺得到石墨烯改性陶瓷磨具材料。

15.根据权利要求14所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料的制备工艺，其特征在于：热压成型工艺条件：热压温度220～280℃，压力10～16MPa，热压时间20～60min。

16.根据权利要求15所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料的制备工艺，其特征在于：热压成型工艺条件：热压温度260℃，压力15MPa，热压时间40min。

17.根据权利要求1-13任一项所述的石墨烯改性陶瓷磨具材料在制备砂轮中的应用。