用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料及其制备方法，该复合材料的制备是将泡沫镍基合金板加工成所需的形状后，采用模压成型法将熔融态的聚醚醚酮压入柱状的泡沫镍基合金中，获得结构完整、充填紧密的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。所制备的复合材料由三维方向均连续的基体和增强体组成，其具有三维空间拓扑结构，材料分布连续均匀，界面结合力好；金属材料作为增强体，利于分散和传递应力，导热效果好；镍基合金(含铬、铝)，耐腐蚀能力强；聚醚醚酮材料比强度高，耐磨性能好，能获得较好的耐冲蚀效果。该材料尺寸可控，可在腐蚀介质冲蚀工况条件下替代传统材料或作为传统材料内衬使用。

权利要求

1.一种用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料，其特征在于：所述双连续复合材料是由聚醚醚酮基体和泡沫镍基合金增强体组成的复合材料，所述聚醚醚酮填充于泡沫镍基合金骨架中形成双连续结构，所述聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料中，基体聚醚醚酮所占体积百分含量为64～99％。

2.根据权利要求1所述的双连续复合材料，其特征在于：所述双连续复合材料中，基体和增强体在三维方向均连续，两相材料分布均匀、具有三维空间拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的双连续复合材料，其特征在于：所述泡沫镍基合金是采用粉末包埋法对泡沫镍进行渗铬或渗铝制成。

4.根据权利要求3所述的双连续复合材料，其特征在于：所述泡沫镍的孔隙率为64～

99％，孔径尺寸0.18～0.87mm，孔密度为50～130PPI。

5.根据权利要求1所述的双连续复合材料的制备方法，其特征在于：该方法首先选取所需规格和形状的泡沫镍基合金，然后采用模压成型法将熔融状态的聚醚醚酮材料压入泡沫镍基合金中形成复合结构，模压完成后对该复合结构进行退火热处理，即获得聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。

6.根据权利要求5所述的双连续复合材料的制备方法，其特征在于：所述模压成型法在模压模具中进行，成型过程中，升温速度10℃/min，模温370～380℃，保温时间10min，加压速度0.4MPa/min，合模压力4MPa，保压时间15min。

7.根据权利要求5所述的双连续复合材料的制备方法，其特征在于：所述退火热处理是将模压成型得到的复合结构放入烘箱中，并对其进行退火热处理；其中：退火温度210℃，保温时间40min，随炉缓慢冷却。

8.根据权利要求5所述的双连续复合材料的制备方法，其特征在于：采用模压成型法制备双连续复合材料前，首先依次采用酒精和石油醚对泡沫镍基合金进行超声波清洗，清洗时间为10min，以去除原料中的油渍及溶于水的杂质；再对聚醚醚酮粉末和泡沫镍基合金进行150℃、3h干燥处理，去除粉末材料中所含水分；模压成型前将聚醚醚酮粉末置于模具内同时施加不低于35MPa的压力来排除模具中的空气。

9.根据权利要求5所述的双连续复合材料的制备方法，其特征在于：所述泡沫镍基合金依据所需双连续复合材料的结构，确定其规格和尺寸。

说明书

用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续

复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及腐蚀介质冲蚀工况下的双连续复合材料及其制备技术领域，具体为一种用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 冲蚀磨损是指一定粒度的松散小颗粒在高速流动的载体中以一定的速度与角度对材料表面进行冲击并造成材料损耗的现象，这种磨损现象由于影响广泛、破坏严重一直受到国内外学者的关注。然而，在大部分冲蚀情况中，腐蚀性介质(腐蚀性载体或腐蚀性颗粒)的参与更进一步地加剧了材料的破坏、降低了材料的寿命。在湿法冶金过程中，腐蚀性液体与矿渣混合组成一定比例的液固混合矿浆，其在高温釜中反应或在管道中高速(0.5～5m/s)运输时，会致使各种管、阀、泵、罐、搅拌装置等都处于腐蚀介质的冲蚀工况下，特别是液-固两相流冲蚀的复杂工况中，使承受部件过早出现缺陷，降低整体设备的工作效率和使用寿命。舰载机的寿命大大降低是因为在发动机工作过程中，吸入了含盐雾的气体，高速气体夹杂腐蚀性液滴损伤叶片等关键部件，使其过早失效。目前为止，针对耐腐蚀介质冲蚀工况所需的材料一直是人们研究的热点，但尚没有一种材料能够很好的解决腐蚀介质冲蚀问题。

[0003] 现有的复合材料主要使用微小的纤维和颗粒对基体材料进行增强，该类材料主要采用注塑成型方法制备，然而这种方法动模温度较低，只能对混合后直接成型的材料进行制备。而对于泡沫镍基合金为增强相的复合材料，由于在注塑成型过程中，泡沫材料孔隙率大、强度低，在较大压力下极易压溃变形，而无法制备各相均匀的复合材料。Y.Liu等人[Preparation and its cavitation performance of nickel foam/epoxy/SiC co-continuous composites]采用真空下浸渍的方法制备了填充致密的环氧树脂/泡沫镍双连续复合材料，但环氧树脂在固化过程中粘度较低，可以顺利在真空环境下自行浸入泡沫镍中。相比于环氧树脂，聚醚醚酮材料比强度高，耐磨性能好，但对于熔融状态下粘度较高的聚醚醚酮，采用真空浸渍方法难以填充。因此聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料不能用常规的方法制备。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料及其制备方法，通过该方法制备的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料在腐蚀介质冲蚀实验中表现出良好的耐冲蚀性能，为解决过流部件的腐蚀介质冲蚀问题提供了一种新途径。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料，所述双连续复合材料是由聚醚醚酮基体和泡沫镍基合金增强体组成的复合材料，所述聚醚醚酮填充于泡沫镍基合金骨架中形成双连续结构；所述聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料中的基体聚醚醚酮所占体积百分含量为64～99％。

[0007] 所述双连续复合材料中，基体和增强体在三维方向上均连续，两相材料分布均匀、具有三维空间拓扑结构、界面结合力强。

[0008] 所述泡沫镍基合金板首先由聚氨酯泡沫经过导电化处理、电镀和还原烧结制成泡沫镍板，再使用粉末包埋法对泡沫镍板渗铬或渗铝制成泡沫镍基合金板；最后采用数控线切割机床将泡沫镍板加工成所需形状的泡沫镍基合金。根据所需聚醚醚酮/泡沫镍双连续复合材料的结构及技术指标选取合适的泡沫镍板，泡沫镍板的孔隙率为64～99％，孔径尺寸0.18～0.87mm，孔密度为50～130PPI。

[0009] 本发明用于腐蚀介质冲蚀工况下的双连续复合材料的制备方法为：首先将泡沫镍板制备成所需形状的泡沫镍基合金板后，然后采用模压成型法将熔融状态的聚醚醚酮材料压入泡沫镍基合金中形成复合结构，模压完成后对该复合结构进行退火热处理，最终获得结构完整、充填紧密的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。

[0010] 所述模压成型法在模压模具中进行，成型过程中，升温速度10℃/min，模温370～380℃，保温时间10min，加压速度0.4MPa/min，合模压力4MPa，保压时间15min。

[0011] 所述退火热处理是将模压成型后降温中的复合材料放入烘箱中进行；其中：退火温度210℃，保温时间40min，随炉缓慢冷却。

[0012] 模压成型法制备双连续复合材料前，先依次使用酒精和石油醚对泡沫镍基合金分别进行时长为10min的超声波清洗，去除原料中的油渍及溶于水的杂质；再对聚醚醚酮粉末和泡沫镍进行150℃、3h干燥处理，去除粉末材料中所含的水分；模压成型前将聚醚醚酮粉末置于模具内同时施加不低于35MPa的压力来排除模具中的空气。

[0013] 所述泡沫镍基合金板，依据双连续复合材料所需的结构，确定其规格和尺寸。

[0014] 本发明制备的双连续复合材料用于腐蚀介质(腐蚀性载体或腐蚀性颗粒)冲蚀工况条件下替代传统材料或作为传统材料内衬使用。

[0015] 本发明的有益效果是：

[0016] 1、聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料将用于腐蚀介质冲蚀工况中，湿法冶金设备在运转过程中会产生高速流动的腐蚀性载体，这些载体携固体颗粒进入反应设备中，流经设备的管、阀、泵、罐和搅拌装置等处。因此复合材料必须具备各项同性、较高的耐腐蚀性能、优良的结合性能和良好的综合力学性能，常规复合材料无法满足此要求。为此发明了用于腐蚀介质冲蚀工况下的双连续复合材料及其制备技术，制备的聚醚醚酮/泡沫镍基合金在腐蚀介质的冲蚀工况下表现良好。

[0017] 2、本发明以聚醚醚酮作为双连续复合材料的基体，聚醚醚酮是一种半结晶高性能特种高分子材料，具有优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能和优良的耐疲劳破坏性能，能够对金属增强相起到良好的保护作用。

[0018] 3、本发明以泡沫镍基合金为双连续复合材料的增强体，通过在泡沫镍中渗铬或渗铝以整体提高镍基材料的耐腐蚀性能。使用泡沫金属作为双连续复合材料的增强体，一方面起到弥散强化作用，另一方面还有利于热量和应力的分散和传递。

[0019] 4、采用模压成型法对双连续复合材料进行制备，在制备过程中确定了最小挤住压力使强度较低的泡沫镍在挤住过程中不被压溃变形；在模压模具上下接口处开设了多条排气通道，以便使高粘度的熔融态聚醚醚酮全部浸入孔隙很小(约200μm左右)的泡沫镍基合金中。

[0020] 5、对双连续复合材料进行一定温度下的退火热处理，通过对双连续复合材料进行210℃下40min的退火热处理，能在较短时间大幅度的提高聚醚醚酮材料的结晶度并进一步提升双连续复合材料的综合力学性能。

附图说明

[0021] 图1为本发明双连续复合材料的制备工艺流程。

[0022] 图2为本发明制备双连续复合材料过程中使用的模压成型设备。

[0023] 图中：1-压柱；2-加料室；3-上模；4-下模；5-工作平台；6-聚醚醚酮粉末；7-泡沫镍基合金；8-千斤顶。

[0024] 图3为所制备的基体体积百分含量97％的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料；其中：(a)为制备成型的(Φ30×10)mm聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料；(b)为聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料表面微观形貌。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图及实施例详述本发明。

[0026] 本发明为用于腐蚀介质冲蚀工况下的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料及其制备方法，该复合材料的制备流程如图1所示，是将泡沫镍基合金加工成所需的形状后，采用模压成型法将熔融态的聚醚醚酮压入泡沫镍基合金骨架中，获得结构完整、充填紧密的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。所用模压成型设备的结构如图2所示。

[0027] 该模压成型设备包括工作平台5、上模3、下模4、加料室2和压柱1；下模4固定在工作平台上，上模固定于下模4上，上模3的内腔放置泡沫镍基合金7，内腔可根据所要制备的复合材料的形状和尺寸进行设计；加料室2置于上模3上，通过加料室2上部的压柱1和工作平台下部的千斤顶8相配合，将聚醚醚酮压入泡沫镍基合金骨架中。该模压成型设备中，压柱1和下模4上均开设排气通道(开设在与原料相接触的表面上)，分别用于排出原料聚醚醚酮粉末6和下模内腔中的气体，从而避免了制备的双连续复合材料具有孔洞等缺陷。

[0028] 本发明聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料制备工艺具体过程如下(参见图1)：

[0029] 1、泡沫镍的准备及处理

[0030] 依照双连续复合材料的大小及技术指标要求，通过计算，确定泡沫镍板的规格，即面密度、孔径、厚度、孔隙率、铬铝含量等，选择质量优良、孔隙均匀的泡沫镍铬板。采用数控线切割机床将其加工为所需尺寸的柱状泡沫镍铬，在切割的过程中需要保证泡沫镍铬板保持平整，保证柱状泡沫镍铬的尺寸的均匀性；采用水基冷却液作为切割液，尽量避免泡沫镍铬的污染。泡沫镍切割完后将其加入到酒精中超声波冲洗10min，最后用石油醚超声振荡10min；在烘箱中烘干，然后样品称重，测量其尺寸，并放置在干燥箱中备用。

[0031] 2、聚醚醚酮粉末的准备及处理

[0032] 依照双连续复合材料的技术指标要求，通过计算，确定聚醚醚酮粉末的质量。对其进行150℃、3h的干燥处理，排出聚醚醚酮粉末中的水。将处理后的粉末放入干燥箱中备用。

[0033] 3、模压成型法制备双连续复合材料

[0034] 首先将处理后的聚醚醚酮粉末放入模压模具中，对其施加35MPa的压力排出模具和粉末中的多余空气。然后将柱状泡沫镍基合金同样放入模压模具，以10℃/min的升温速率将模具加热到380℃，保温10min后以0.4MPa/min的速度对双连续复合材料缓慢施加合模压力以免由于模具间公差较大使聚醚醚酮全部溢出，控制最终合模压力不超过4MPa以免将泡沫镍基合金压溃变形。最后保压15min确保熔融状态的聚醚醚酮全部浸入孔径细小的泡沫镍基合金中，断电降温。

[0035] 4、双连续复合材料的热处理

[0036] 经过模压成型后的双连续复合材料力学性能尚不稳定，需要对其进行一定温度的退火热处理。待复合材料随模具降温至230℃时，将其放入预先升温至210℃的烘箱内，保温40min以使复合材料中聚醚醚酮的结晶度最大化。随炉冷却至室温后将复合材料取出并脱模。最终得到力学性能稳定、结构致密、复合性能指标的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。

[0037] 实施例1：

[0038] 基体体积百分含量97％的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料的制备：

[0039] 冲蚀磨损试验机所需的样件尺寸为(Φ30×10)mm，因此需要制备符合试验机安装的双连续复合材料。选用体密度为0.26g/cm3、孔径为100PPI、孔隙率为97.1％、尺寸为1000mm×1000mm×10mm的泡沫镍铬板(铬含量12％)，用数控线切割机床将其加工成(Φ30×10)mm的柱状泡沫镍铬合金，分别经过10min酒精和石油醚超声波清洗并烘干并称重。

[0040] 所使用的聚醚醚酮粉末为吉林大学提供，其粒径为200μm。称重10g聚醚醚酮粉末并将其放入烘箱中进行150℃时长3h的干燥处理。

[0041] 将干燥后的粉末放入模压模具中，施加35MPa的预压力将其压实为块状，放入处理后的柱状泡沫镍基合金。以10℃/min的升温速度加热模具至380℃并保温10min。以0.4MPa/min的速度对模具缓慢加压至4MPa，保压15min后断电降温。待复合材料降温至230℃后，将其放入预热至210℃的烘箱中保温40min，而后随炉冷却至室温脱模取样，得到聚醚醚酮体积百分量为97％的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料

[0042] 图3为所制备的基体体积百分含量97％的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料。经过观察，本实施例制备的双连续复合材料表面平整，内部填充均匀完整，聚醚醚酮的体积百分量约为97％，可以作为冲蚀实验样件进行相关实验。

[0043] 使用本实施例制备的基体体积百分含量97％的聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料和纯聚醚醚酮分别进行下述两个冲蚀实验：

[0044] 1.在质量分数1％的H2SO4溶液中混合质量分数为5％的矿石微粒(275目)，以30m/s的速度将该混合浆料冲击到材料样品表面，对其进行时长2h、攻角90°的射流实验。

[0045] 2.在质量分数1％的H2SO4溶液中混合质量分数为5％的矿石微粒(275目)，以30m/s的速度将该混合浆料冲击到材料样品表面，对其进行时长2h、攻角30°的射流实验。

[0046] 经过以上两个不同攻角的冲蚀实验后，测量并对比聚醚醚酮材料和聚醚醚酮/泡3
沫镍基合金双连续复合材料实验前后的体积损失量(mm)。实验结果显示，聚醚醚酮材料在
90°和30°攻角下，体积损失量分别为29.5mm3和6.4mm3；聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料在90°和30°攻角下，体积损失量分别为11.8mm3和5.7mm3。实验证明聚醚醚酮/泡沫镍基合金双连续复合材料无论是在大攻角下还是在小攻角下，其体积损失量均小于纯聚醚醚酮的体积损失量，因此说明以聚醚醚酮作为基体，泡沫镍基合金作为增强体所制备出的双连续复合材料耐冲蚀性能得到了提高。