一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片、制备方法及气动马达
技术领域
本发明涉及陶瓷材料
技术领域
，尤其涉及一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片及制备方法。背景技术
气动马达也称为风动马达，是指将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能的装置，一般作为更复杂装置或机器的旋转动力源。气动马达按结构分类为：叶片式气动马达，活塞式气动马达，紧凑叶片式气动马达，紧凑活塞式气动马达。气动马达与和它起同样作用的电动机相比，其特点是外壳体轻，输送方便。气动马达还具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。过载时，马达只是转速降低或停止，当过载解除，立即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。又因为其工作介质是空气，材料获取简单，排出废气不影响环境。
轻载叶片式气动马达多由金属制成，由于金属叶片与马达定子通过压力密封，叶片要克服一定的摩擦力推动马达转子旋转，长期使用会导致金属磨损，需要经常维护，寿命短。再有，使用环境的压缩空气中会含水蒸气、油雾，易导致金属部件锈蚀。一些气动马达的叶片强度低、韧性差、启动时不易吹出，起动性能差，工作效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的轻载式气动马达叶片由金属制成，在保证轻载的前提下，容易导致强度低、韧性差、使用寿命短等问题。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，原材料由以下组分组成：Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3，以及环氧树脂；以 Si3N4陶瓷基粉的质量计，其中，SiC晶须占比8-12wt％，Y2O3占比5-7wt％，A12O3占比2-4wt％，环氧树脂的用量为复合粉末的30-40vol％。
其进一步的技术方案为，用溶剂蒸发法在复合粉末的最外层包覆环氧树脂。
其进一步的技术方案为，所述Si3N4陶瓷基粉为β-Si3N4，D50＝3-10μm，更优选地，D50＝5-8μm。
其进一步的技术方案为，所述SiC晶须直径为0.1-1.0μm，长径比>20。
其进一步的技术方案为，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂。
本发明还提供所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、按比例取各组分，将Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3混合均匀，通过溶剂蒸发法包覆环氧树脂，制备出Si3N4/SiC(w)/环氧树脂复合粉末；
S2、对复合粉末按预设成型参数通过SLS成型得到素坯；
S3、对素坯抽真空进行冷等静压处理；
S4、经排胶、高温烧结，得到产品。
SLS(Selective Laser Sintering，选择性激光烧结)是利用高能束激光将粉末材料烧结成实体制件的技术。其原理是将产品三维模型分成若干层二维“切片”，然后利用激光选择性地烧结“切片”区域内的粉末材料，完成后再铺上一层粉末材料继续烧结。如此层层累加，直至三维制件完成为止。
如图1所示，SLS/CIP结合的工艺流程图。本发明通过选用预设的SLS成型参数，由粉辊将粉末在工作台上铺平，随后由计算机控制激光选择性地扫描铺平的粉层，被扫描粉末中的黏接剂熔化流动促使粉末颗粒相互粘接为相应形状。由于热传递效应上下2层也被粘接，随后粉缸上升，工作台下降1个分层层厚高度。重复上述过程，直至零件完全成型，得到素坯。
再将打印成型的素坯套上包套，抽出包套中的空气使包套与样品紧密贴合，放入冷等静压机进行冷等静压处理(CIP)。
发明人发现，CIP工序可以降低坯体中气孔数量以及气孔尺寸。经过CIP 处理后的素坯坯体致密度及强度得到提高，利于后期烧结。
因此，本发明的制备方法中，经过CIP处理的优越性在于：经CIP处理后，素坯的性能得到明显提升。素坯孔隙率从36.73％降低至29.90％，而抗弯强度从 3.16MPa增大至6.11MPa，能够明显提高产品的致密度和抗弯强度。
其进一步的技术方案为，步骤S3中，冷等静压的保压参数为：200-300MPa，保压1-10min，升压速率为1-3MPa/s，卸压速率为0.5-2MPa/s。
更优选地，保压参数为：250MPa，保压5min，升压速率为2MPa/s，卸压速率为1MPa/s。
其进一步的技术方案为，步骤S4中，排胶时，从室温以1-2℃/min升温到 550-650℃，保温1-2h后随炉冷却至温室。
更优选地，排胶工艺为从室温以1.5℃/min升温到600℃，保温1.5h后随炉冷却至温室。
其进一步的技术方案为，步骤S4中，高温烧结时，在0.1-0.3MPa的氮气压力下从室温以2-8℃/min的速率升温到1600-2000℃，保温2-3h后随炉冷却。
更优选地，采用气氛烧结炉对样品进行高温烧结，烧结工艺为在0.15MPa 氮气压力下从室温以5℃/min升温到1800℃，保温2.5h后随炉冷却。
第二方面，本发明提供一种气动马达，包括陶瓷叶片，所述陶瓷叶片为所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
本发明采用Si3N4陶瓷材料替代现有金属材料制成气动马达叶片，密度较低，可以充分减少马达产品总重量，具有更轻载的特点；且本发明的陶瓷叶片抗热震稳定性好，耐磨与耐腐蚀性能明显超越现有金属材料；本发明的陶瓷气动马达叶片还加入了SiC晶须对材料进行增韧改性，使得陶瓷叶片具有耐抗弯、质地更致密的特性；有效改善现有气动马达中的叶片强度低、韧性差的不足，提高叶片使用寿命。
本发明提供的制备方法，采用激光选区烧结(SLS)技术制备Si3N4陶瓷叶片素坯，快速成型出具有复杂外形的陶瓷构件。
附图说明
图1为本发明SLS/CIP相结合的工艺流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的气动马达的结构示意图。
具体实施方式
下面将对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，原材料由以下组分组成：Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3，以及环氧树脂；以Si3N4陶瓷基粉作为原料，加入原料质量10wt％的SiC晶须，6wt％Y2O3，4wt％A12O3，环氧树脂的用量为复合粉末总体积的35vol％。
Si3N4陶瓷基粉为β-Si3N4，D50＝6.59μm。
SiC晶须直径为0.1-1.0μm，长径比>20。
本实施例所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，这种环氧树脂的分子结构中含有羟基和醚键，固化过程进一步生成新的－OH和－O－，使固化物具有很高的内聚力和粘附力。
在一具体实施例中，环氧树脂的型号为E12，环氧值为0.10－0.18。
本发明实施例还提供所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、按比例取各组分，将Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3混合均匀，通过溶剂蒸发法包覆环氧树脂，制备出Si3N4/SiC(w)/E12复合粉末；
S2、对复合粉末按预设成型参数通过SLS成型得到素坯；
S3、对素坯抽真空进行冷等静压处理，保压参数为：250MPa，保压5min，升压速率为2MPa/s，卸压速率为1MPa/s；
S4、经排胶、高温烧结，得到产品；
具体地，排胶工艺为从室温以1.5℃/min升温到600℃，保温1.5h后随炉冷却至温室；高温烧结时，采用气氛烧结炉对样品进行高温烧结，烧结工艺为在0.15MPa氮气压力下从室温以5℃/min升温到1800℃，保温2.5h后随炉冷却。
本实施例得到的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，素坯烧结后的孔隙率为29.9％，抗弯强度为6.11MPa。
实施例2
本发明提供一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，原材料由以下组分组成：Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3，以及环氧树脂；以Si3N4陶瓷基粉作为原料，加入原料质量9wt％的SiC晶须，7wt％Y2O3，3wt％A12O3，环氧树脂的用量为复合粉末总体积的38vol％。
Si3N4陶瓷基粉为β-Si3N4，D50＝8.0μm。
SiC晶须直径为0.1-1.0μm，长径比>20。
本实施例所述环氧树脂的型号为E12，环氧值为0.10－0.18。
本发明实施例还提供所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、按比例取各组分，将Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3混合均匀，通过溶剂蒸发法包覆环氧树脂，制备出Si3N4/SiC(w)/E12复合粉末；
S2、对复合粉末按预设成型参数通过SLS成型，得到素坯；
S3、对素坯抽真空进行冷等静压处理，保压参数为：280MPa，保压5min，升压速率为2MPa/s，卸压速率为1MPa/s；
S4、经排胶、高温烧结，得到产品；
具体地，排胶工艺为从室温以1.5℃/min升温到620℃，保温1.5h后随炉冷却至温室；高温烧结时，采用气氛烧结炉对样品进行高温烧结，烧结工艺为在0.15MPa氮气压力下从室温以5℃/min升温到1800℃，保温2.5h后随炉冷却。
实施例3
本发明提供一种SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，原材料由以下组分组成：Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3，以及环氧树脂；以Si3N4陶瓷基粉作为原料，加入原料质量11wt％的SiC晶须，7wt％Y2O3，3wt％A12O3，环氧树脂的用量为复合粉末总体积的34vol％。
Si3N4陶瓷基粉为β-Si3N4，D50＝4.0μm。
SiC晶须直径为0.1-1.0μm，长径比>20。
本实施例所述环氧树脂的型号为E12，环氧值为0.10－0.18。
本发明实施例还提供所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、按比例取各组分，将Si3N4陶瓷基粉，SiC晶须，Y2O3，A12O3混合均匀，通过溶剂蒸发法包覆环氧树脂，制备出Si3N4/SiC(w)/E12复合粉末；
S2、对复合粉末按预设成型参数通过SLS成型，得到素坯；
S3、对素坯抽真空进行冷等静压处理，保压参数为：240MPa，保压5min，升压速率为2MPa/s，卸压速率为1MPa/s；
S4、经排胶、高温烧结，得到产品；
具体地，排胶工艺为从室温以1.5℃/min升温到580℃，保温2h后随炉冷却至温室；高温烧结时，采用气氛烧结炉对样品进行高温烧结，烧结工艺为在 0.15MPa氮气压力下从室温以5℃/min升温到1900℃，保温2h后随炉冷却。
对比例
对比例与实施例1的不同之处在于，制备方法中不含步骤S3冷等静压处理过程。
对比例的素坯烧结后的孔隙率为36.73％，抗弯强度为3.16Mpa。
参见图2，本发明实施例还提供一种气动马达，包括陶瓷叶片，所述陶瓷叶片为以上实施例1-3任一项所述的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片。
可以理解地，气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀作用，把压力能转换为机械能的动力装置。如图2所示，展示了一种双向叶片式气动马达。其工作原理为，压缩空气由A孔输入，小部分的空气经定子2两端的密封盖的槽进入叶片3底部(图中未表示)，将叶片3推出，使叶片3贴紧在定子2内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片3上。由于两叶片3伸出长度不等，因此，就产生了转矩差，使叶片3 与转子1按逆时针方向旋转，作功后的气体由定子2上的孔B、C排出。
若改变压缩空气的输入方向(即压缩空气由B孔进入，从孔A排出)，则可改变转子的转向。
对于轻载叶片式气动马达，主要由转子1、定子2、叶片3和壳体等构成，A为压缩空气吹入口，B为排气口，C为二次排气口。为保证叶片外伸并与定子内表面可靠密封，叶片3的根部通以压缩空气和装有自位弹簧。压缩空气从进气口A输入，作用于工作腔两侧叶片的外伸面上。由于转子1与定子2偏心安装，使得两叶片3伸出长度不同，气压作用于各叶片3上的工作面积大小不同，因此，气压在两侧叶片3上产生转矩差而推动转子逆时针方向回转。作功后的气体带进排气腔从输出口C排出，残余气体从B口排出。若改变压缩空气输入方向，即可改变转子回转方向。
由于叶片3始终紧贴缸体内壁，叶片3的根部受到压缩空气和弹簧的压力，因此需要叶片3具有较高的减摩性、耐磨性以及抗弯强度。
而本发明提供的SiC晶须增韧Si3N4陶瓷气动马达叶片，由Si3N4陶瓷材料制成，密度较低，可以充分减少马达产品总重量，具有更轻载的特点；加入了 SiC晶须对材料进行增韧改性，使得陶瓷叶片具有更耐抗弯、质地更致密、更耐磨的特性；有效改善现有气动马达中的叶片强度低、韧性差的不足，提高叶片使用寿命。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
