常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法

摘要

一种常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，采用固相常压烧结方法，以亚微米级碳化硅粉、石墨粉和碳化硼粉为主原料，包括以下步骤：1)采用分段球磨方式进行磨料，先在pH值为10-12的环境下加水球磨主原料，将团聚的碳化硅微粉和其它主原料分散均匀；然后添加增塑剂、润滑剂和水溶性酚醛树脂再球磨一段时间，最后添加粘结剂进行球磨；2)采用喷雾造粒工艺对碳化硅浆料进行造粒；3)将造粒后物料在恒温恒湿的环境下养护；4)将养护好的物料双面模压成型；5)采用分段干燥机制对成型后坯体进行干燥；6)将碳化硅坯体放在真空炉中，以氩气作为保护气体进行两次烧结。采用该方法制备的碳化硅陶瓷性能优越、耐腐蚀、寿命长，且适合工业化生产。

权利要求

1.一种常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，采用固相常压烧结的方法，其特征是以重量百分比为98.4％-99.2％的亚微米级碳化硅粉、0.5％-1％的石墨粉、0.3％-0.6％的碳化硼粉为主原料，以主原料的重量为100％，包括以下步骤：

1)、将主原料和为主原料重量100％-150％的水加入球磨机中，球磨3-10小时，配制成固含量为40％-50％的碳化硅浆料，调整体系的pH值为10-12；

2)、将为主原料重量0.5％-2％的增塑剂和0.5％-2％的润滑剂加入碳化硅浆料，再添加0.5％-1.5％的水溶性酚醛树脂球磨3-8小时；所述增塑剂为聚乙二醇，所述润滑剂为油酸；

3)、加入为主原料重量1％-2％的水溶性丙烯酸树脂做为粘结剂，再球磨3-5小时；

4)、采用喷雾干燥工艺对球磨后的碳化硅浆料进行造粒，得到碳化硅造粒粉；所述喷雾干燥工艺采用喷雾干燥机进行，工艺参数为：进口温度为220-250℃，出口温度为

75-120℃，雾化压力为0.8-1.5MPa；

5)、对碳化硅造粒粉在温度为25-35℃，相对湿度为80％-99％的恒温恒湿环境下养护

12-24小时；

6)、将养护好物料双面模压成型，压力为100MPa-200MPa；

7)、将成型后坯体在50-100℃的烘箱中干燥3-6小时，然后提高温度到120-150℃再干燥1-3小时；

8)、对干燥后的坯体进行初加工，得到碳化硅陶瓷坯体；

9)、将初加工后的坯体放在真空炉中，用氩气做保护气体进行预烧，升温至650～

800℃保温3-5小时，然后随炉冷却后取出，得到毛坯；

10)、将毛坯放在真空炉中，用氩气做保护气体进行常压烧结，升温至2150～2200℃保温1-3小时，然后随炉冷却后取出，得到碳化硅陶瓷；

11)、将烧结后的碳化硅陶瓷产品进行精加工，得到成品。

2.根据权利要求1所述的常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，所述增塑剂为蔗糖脂、石蜡常用增塑剂中的一种替代聚乙二醇，所述润滑剂为硬脂酸替代油酸。

说明书

常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制备方法，特别是一种常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

[0002] 碳化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有许多优良特性，如耐磨、导热率高、耐热、耐腐蚀以及优良的力学和热学性能等。碳化硅陶瓷已经被广泛地应用于机械、电子、石油化工、冶金等工业领域以及国防工业，并被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来的第四种基本材料。

[0003] 在不同的领域中应用的碳化硅陶瓷材料对性能有不同的要求，需要用不同的制备方法。目前碳化硅的制备方法可分为：反应烧结、常压烧结和热压烧结碳化硅等几大类。反应烧结的工艺相对成熟，技术难度较小，但是反应烧结的产品中有10％左右的游离硅，不耐强碱和氢氟酸，不能应用在强酸强碱的化工生产环境中；从综合力学性能来看，包括抗弯强度、断裂韧性、弹性模量、抗压强度，反应烧结陶瓷产品与无压烧结和热压烧结比较尚有较大的距离。作为结构陶瓷使用，反应烧结陶瓷一般只用在要求不太高的机械密封、高温构件和化工生产领域。

[0004] 从机械性能上看，热压烧结的碳化硅陶瓷具有很高的烧结密度、抗弯强度和断裂韧性。尤其是有优异的高温力学性能，可以应用于各个碳化硅结构陶瓷领域。但是热压烧结过程中必须对陶瓷素坯进行包封，因此无法大批量生产，限制了其在工业化生产中的应用。

[0005] 这样在体系中添加烧结助剂并在常压下烧结的方法就成为了最有前途的制备高性能碳化硅陶瓷的工业生产方法。根据烧结助剂在烧结过程中的状态，常压烧结还可以分为固相烧结和液相烧结。固相烧结通常是在体系中加入适量的碳化硼和碳，而液相烧结则加入适量的助熔剂而在烧结时呈现液态。相对而言，液相常压烧结方法具有更低的烧结温度、与热压烧结相当的力学性能，但由于所制得的产品中含有比较多的添加剂，如专利号200410062956.0“高韧性、高强度的碳化硅陶瓷液相烧结法”公开了一种液相常压烧结的方法，采用氮化铝-稀土氧化物为烧结助剂，使其在复杂恶劣环境中的耐腐蚀性不够高，因此产品的使用寿命也不够高，同时也限制了其在某些对纯度要求较高的行业中的应用。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法优化了原有的生产过程，采用该方法制备的碳化硅陶瓷具有硬度高、强度大、耐磨、耐腐蚀、寿命高、断裂韧性高等优点，并适合工业化生产。

[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一种常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，采用固相常压烧结的方法，以重量百分比为98.4％-99.2％的亚微米级碳化硅粉、0.5％-1％的石墨粉、0.3％-0.6％的碳化硼粉为主原料，以主原料的重量为100％，包括以下步骤：

[0008] 1)、将主原料和为主原料重量100％-150％的水加入球磨机中，球磨3-10小时，配制成固含量为40％-50％的碳化硅浆料，调整体系的pH值为10-12；

[0009] 2)、将为主原料重量0.5％-2％的聚乙二醇和0.5％-2％的油酸加入碳化硅浆料，再添加0.5％-1.5％的水溶性酚醛树脂球磨3-8小时；

[0010] 3)、加入为主原料重量1％-2％的水溶性丙烯酸树脂做为粘结剂，再球磨3-5小时；

[0011] 4)、采用喷雾干燥工艺对球磨后的碳化硅浆料进行造粒，得到碳化硅造粒粉；所述喷雾干燥工艺采用喷雾干燥机进行，工艺参数为：进口温度为220-250℃，出口温度为75-120℃，雾化压力为0.8-1.5MPa；

[0012] 5)、对碳化硅造粒粉在温度为25-35℃，相对湿度为80％-99％的恒温恒湿环境下养护12-24小时；

[0013] 6)、将养护好物料双面模压成型，压力为100MPa-200MPa；

[0014] 7)、将成型后坯体在50-100℃的烘箱中干燥3-6小时，然后提高温度到120-150℃再干燥1-3小时；

[0015] 8)、对干燥后的坯体进行初加工，得到碳化硅陶瓷坯体；

[0016] 9)、将初加工后的坯体放在真空炉中，用氩气做保护气体进行预烧，升温至500-800℃保温3-5小时，然后随炉冷却后取出，得到毛坯；

[0017] 10)、将毛坯放在真空炉中，用氩气做保护气体进行常压烧结，升温至2100-2200℃保温1-3小时，然后随炉冷却后取出，得到碳化硅陶瓷；

[0018] 11)、将烧结后的碳化硅陶瓷产品进行精加工，得到成品。

[0019] 所述增塑剂还可为蔗糖脂、石蜡常用增塑剂中的一种，所述润滑剂还可为硬脂酸。所述粘结剂为水溶性丙烯酸树脂和水溶性酚醛树脂，所述水溶性酚醛树脂主要是作为碳源，在真空下会分解成碳。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0021] (1)、现有技术在添加增塑剂、润滑剂和水溶性酚醛树脂之前或同时加入粘结剂，其组分很难分散均匀。而本发明优化了混料过程，采用分段球磨方式进行混料，先在pH值为10-12的环境下球磨主原料，将团聚的碳化硅微粉和其它主原料分散均匀；然后添加增塑剂、润滑剂和水溶性酚醛树脂再球磨一段时间，最后添加液态粘结剂进行球磨，这样使得各种组分更容易分散均匀。得到的碳化硅浆料分散均匀，粘度适中，喷雾造粒后能形成优良的球形颗粒，且级配合理。

[0022] (2)、目前，对造粒好物料的处理，一般为直接装箱存放，由于存放环境、时间的差异，使得造粒料的含水率不一致，将导致后期工艺的不适应，使得不能稳定生产出最佳性能的产品。本发明将造粒后物料在恒温恒湿的环境下养护，确保了物料颗粒的含水率均一。

[0023] (3)、本发明采用分段干燥机制，先低温干燥后高温干燥，避免了以前直接在较高温度下干燥而经常出现的因失水过快导致的坯体开裂或者产生裂纹。

[0024] (4)、依据本发明制得的产品碳化硅含量大于99％，其密度为3.15-3.18g/cm3，断1/2
裂韧性为5.4-6.7MPa·m ，硬度为3100-3250HK0.1，抗弯强度为480-540MPa。

[0025] (5)、采用本发明的制备方法制得的产品耐腐蚀、力学性能优异、寿命长，能应用在对纯度要求较高的行业，并适合工业化生产。

附图说明

[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步描述。

[0027] 附图为本发明的生产流程图；

具体实施方式

[0028] 实施例1

[0029] 一种固相常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，以重量百分比为98.9％的亚微米级碳化硅粉、0.6％的石墨粉、0.5％的碳化硼粉为主原料，以主原料的重量为100％，包括以下步骤：

[0030] 1)、将主原料和为主原料重量122％的水加入球磨机中球磨6小时，配置成固含量为45％的碳化硅浆料，体系的pH值为11；

[0031] 2)、将为主原料重量0.5％的聚乙二醇和0.6％的油酸加入碳化硅浆料，再添加0.8％的水溶性酚醛树脂球磨5小时；

[0032] 3)、加入为主原料重量1.5％的水溶性丙烯酸树脂，再球磨4小时；

[0033] 4)、采用喷雾干燥工艺对球磨后的碳化硅浆料进行造粒，得到碳化硅造粒粉；所述喷雾干燥的工艺用喷雾干燥机进行，工艺参数为：进口温度为240℃，出口温度为105℃，雾化压力为1.2MPa；

[0034] 5)、对碳化硅造粒粉在温度为28℃，相对湿度为95％的环境下养护18小时；

[0035] 6)、将养护好物料双面模压成型，压力为150MPa；

[0036] 7)、将成型后坯体在75℃的烘箱中干燥4小时，然后提高温度到130℃再干燥2小时；

[0037] 8)、对干燥后的坯体进行初加工，得到碳化硅陶瓷坯体；

[0038] 9)、将初加工后的坯体放在真空炉中，用氩气做保护气体进行预烧，升温至650℃保温4小时，随炉冷却后取出，得到毛坯；

[0039] 10)、将毛坯放在真空炉中，用氩气做保护气体进行常压烧结，升温至2150℃保温2小时，随炉冷却后取出，得到碳化硅陶瓷；

[0040] 11)、对烧结后的碳化硅陶瓷产品进行精加工，得到成品。

[0041] 该碳化硅陶瓷的密度为3.17g/cm3、弯曲强度为510MPa、断裂韧性为6.57MPa·m1/2、硬度为3218HK0.1。

[0042] 实施例2

[0043] 一种固相常压烧结碳化硅陶瓷的制备方法，以重量百分比为99％的亚微米级碳化硅粉、0.5％的石墨粉、0.5％的碳化硼粉为主原料，以主原料的重量为100％，包括以下步骤：

[0044] 1)、将主原料和为主原料重量100％的水加入球磨机中球磨8小时，配置成固含量为50％的碳化硅浆料，体系的pH值为11；

[0045] 2)、将为主原料重量0.4％的蔗糖脂和0.5％的硬脂酸加入碳化硅浆料，再添加1％的水溶性酚醛树脂球磨6小时；

[0046] 3)、加入为主原料重量1％的水溶性丙烯酸树脂，再球磨4小时；

[0047] 4)、采用喷雾干燥工艺对球磨后的碳化硅浆料进行造粒，得到碳化硅造粒粉；所述喷雾干燥采用喷雾干燥机进行，工艺参数为：进口温度为225℃，出口温度为105℃，雾化压力为1.2MPa；

[0048] 5)、对碳化硅造粒粉在温度为28℃，相对湿度为95％的环境下养护18小时；

[0049] 6)、将养护好物料双面模压成型，压力为150MPa；

[0050] 7)、将成型后坯体在75℃的烘箱中干燥4小时，然后提高温度到130℃再干燥2小时；

[0051] 8)、对干燥后的坯体进行初加工，得到碳化硅陶瓷坯体；

[0052] 9)、将初加工后的坯体放在真空炉中，用氩气做保护气体进行预烧，升温至650℃保温4小时，随炉冷却后取出，得到毛坯；

[0053] 10)、将毛坯放在真空炉中，用氩气做保护气体进行常压烧结，升温至2150℃保温2小时，随炉冷却后取出，得到碳化硅陶瓷；

[0054] 11)、对烧结后的碳化硅陶瓷产品进行精加工，得到成品。

[0055] 该碳化硅陶瓷的密度为3.16g/cm3、弯曲强度为490MPa、断裂韧性为6.4MPa·m1/2、硬度为3125HK0.1。