CN101823884B - 一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法。它通过多次真空浸渍含碳化硅微粉和聚碳硅烷的浆料，使普通再结晶碳化硅制品的开口气孔大部分被填充。聚碳硅烷在高温下裂解并形成碳化硅结晶，保持了再结晶碳化硅制品高纯度的特点。用该方法制备的高密度再结晶碳化硅制品的体积密度为2.85～2.95g/cm3，开口气孔率3～5％，室温抗弯强度为110～130MPa，1400℃的高温抗弯强度为130～150MPa；还显著提高了制品的高温抗氧化能力，延长了使用寿命，可望扩大其作为高温结构材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备技术，进一步是指用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品。
背景技术
目前再结晶碳化硅(R-SiC)制品的制备方法是：将较粗的碳化硅颗粒与很细的碳化硅微粉混合后，用注浆法成形，然后在真空感应烧结炉内于2300℃以上的高温条件下，使细颗粒碳化硅蒸发并在粗颗粒碳化硅的接触颈部重新凝聚，从而使粗颗粒碳化硅相互结合起来形成均匀一致的三维多孔网状结构。由于再结晶碳化硅没有其他结合相和杂质，纯度取决于碳化硅粉体的纯度，可达99％，且都是结晶很好的高温稳定型碳化硅，因而具有优异的高温力学性能，其抗弯强度随温度升高而线性增加，在1400℃的强度比室温下提高约20％，且具有很好的热传导能力，是目前能在1600℃高温空气环境下长期使用的一种综合性能较理想的高温结构材料。
与其他陶瓷在烧结过程中产生收缩而致密化的机理不同，再结晶碳化硅制品的烧结机理是蒸发-凝聚机制，烧结过程没有收缩，因而最终制品的密度取决于烧结前生坯的颗粒堆积密度。尽管目前已对再结晶碳化硅制品的颗粒级配和成形方法进行了大量研究，以求获得最大的颗粒堆积密度，但再结晶碳化硅制品的最终密度仍无法突破2.75g/cm3，约为碳化硅材料理论密度3.215g/cm3的85％，即目前最好的再结晶碳化硅制品还存在有15％的气孔，且这些气孔是相互连通的，开口气孔率在14％以上。这些气孔的存在，一方面制约了再结晶碳化硅制品的强度，使得再结晶碳化硅制品的强度还不及热压烧结的致密碳化硅制品的30％；另一方面，由于这些气孔是相互连通的，为空气中的氧深入到再结晶碳化硅制品内部在高温下发生氧化提供了便利的通道，使再结晶碳化硅制品在高温下的氧化较为突出，严重影响了再结晶碳化硅制品的抗热震性和使用寿命。因此，提高再结晶碳化硅制品的密度，特别是将降低制品表面的气孔率，阻隔氧气进入再结晶碳化硅制品内部的通道，是提高再结晶碳化硅制品的强度和使用寿命的有效途径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法，能有效提高再结晶碳化硅制品的密度，特别是在整体密度提高的同时，能很好地封闭再结晶碳化硅制品的表面气孔，以隔断氧气进入制品内部发生氧化的通道，从而最大限度地提高再结晶碳化硅制品的室温和高温强度，增强制品的高温抗氧化能力，提高再结晶碳化硅制品的使用寿命，扩大应用范围。
本发明的技术方案为，所述一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法包括以下步骤：
(1)将密度为2.45g/cm3～2.70g/cm3的普通再结晶碳化硅制品清洗干净，并在100℃～120℃下干燥；
(2)将分子量为1200～3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒径为0.5微米～2微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸渍浆料，其质量分数为：
碳化硅微粉 10～50份，
聚碳硅烷 20～50份，
二甲苯 50～75份；
(3)将经步骤(1)处理的再结晶碳化硅制品置于真空浸渍室内，启动真空泵，待真空室内的压力小于10Pa时，将浸渍浆料吸入真空室内，使溶液完全浸没再结晶碳化硅制品，根据产品厚度不同，每次浸渍时间为15分钟～60分钟；
(4)将浸渍后的再结晶碳化硅制品取出，在60℃～90℃下干燥，即完成一个浸渍周期；
(5)根据制品的气孔率和密度要求，重复步骤(3)和步骤(4)；每重复一次步骤(3)和步骤(4)为1个浸渍周期，重复2个至6个浸渍周期，得浸渍再结晶碳化硅制品；
(6)将浸渍再结晶碳化硅制品置于真空气氛炉中，在真空条件下以每分钟5℃～10℃的速率升温至700℃～800℃，保持1小时～2小时，使聚碳硅烷裂解；待聚碳硅烷裂解完成后，通入氩气至大气压力，再以每分钟5℃～10℃的速率升温至1400℃～2400℃，得到高密度再结晶碳化硅制品。
所述高密度再结晶碳化硅制品的体积密度为2.85～2.95g/cm3，其开口气孔率为3～5％，室温抗弯强度为110～130MPa，1400℃的高温抗弯强度为130～150MPa。
以下对本发明做出进一步说明。
本发明的技术贡献是，在普通再结晶碳化硅制品的基础上，通过多次真空浸渍含碳化硅微粉和聚碳硅烷的浆料，使普通再结晶碳化硅制品中的开口气孔大部分被填充。聚碳硅烷在700℃～800℃裂解为非晶硅碳化合物，在1200℃以上形成碳化硅结晶。由于填充到再结晶碳化硅气孔中的最终产物都是碳化硅，因此，保持了再结晶碳化硅高纯度的特点，不仅有利于再结晶碳化硅制品室温强度的提高，而且同样能提高制品的高温强度和在高温下的抗氧化能力，从而可提高再结晶碳化硅制品的使用寿命，扩大其作为高温结构材料的应用范围。
用本发明制备的高密度再结晶碳化硅制品与普通再结晶碳化硅制品相比，首先是制品的体积密度可在原有基础上提高8％～15％，即从普通再结晶碳化硅制品的2.45g/cm3～2.70g/cm3提高到2.85g/cm3～2.95g/cm3，开口气孔率从15％～20％降低到3％～5％；其次，用本发明制备的高密度再结晶碳化硅制品的室温抗弯强度由原来的60MPa～90MPa提高到110MPa～130MPa，提高幅度为45％～80％；1400℃的高温抗弯强度由75MPa～110MPa提高到125MPa～150MPa，提高幅度为36％～67％；第三，因高密度再结晶碳化硅制品的开口气孔率大幅度降低，其在1400℃的等温氧化增重仅为普通再结晶碳化硅的20％～35％，在1300℃～1500℃温度区间相同条件下的使用寿命延长30％～50％。
由以上可知，本发明为一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法，该方法在显著提高普通再结晶碳化硅制品体积密度的同时，保持了再结晶碳化硅制品高纯度的特点，因而不仅大幅提高了再结晶碳化硅制品的室温强度，而且也显著提高了制品的高温强度和在高温下的抗氧化能力，从而延长了再结晶碳化硅制品的使用寿命，可望扩大其作为高温结构材料的应用范围。
具体实施方式
实施例1：所述用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法是：
(1)将密度为2.5g/cm3的普通再结晶碳化硅制品清洗干净，并在100℃下干燥；
(2)将分子量为1400～1800的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒径为1微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸渍浆料，其质量分数为：
碳化硅微粉 50份，
聚碳硅烷 25份，
二甲苯 75份；
(3)将经步骤(1)处理的普通再结晶碳化硅制品置于真空浸渍室内，启动真空泵，待真空室内的压力小于10Pa时，将浸渍浆料吸入真空室内，使溶液完全浸没再结晶碳化硅制品，每次浸渍时间为60分钟；
(4)将浸渍后的再结晶碳化硅制品取出，在90℃下干燥。
(5)重复步骤(3)和步骤(4)，再重复步骤(3)和步骤(4)，得浸渍再结晶碳化硅制品；
(6)将浸渍再结晶碳化硅制品置于真空气氛炉中，在真空条件下以每分钟5℃的速率升温至700℃，使聚碳硅烷裂解，在700～800℃间保持2小时，然后通入氩气至大气压力，再以每分钟6℃的速率升温至1500℃，保温2小时，得到体积密度为2.87g/cm3的高密度再结晶碳化硅制品，其开口气孔率为4.5％，室温抗弯强度达到115MPa，1400℃的高温抗弯强度为135MPa。
实施例2：所述用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法是：
(1)将密度为2.65g/cm3的普通再结晶碳化硅制品清洗干净，并在110℃下干燥；
(2)将分子量为1400～2000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒径为1.5微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸渍浆料，其质量分数为：
碳化硅微粉 25份，
聚碳硅烷 35份，
二甲苯 60份；
(3)将经步骤(1)处理的普通再结晶碳化硅制品置于真空浸渍室内，启动真空泵，待真空室内的压力小于10Pa时，将浸渍浆料吸入真空室内，使溶液完全浸没再结晶碳化硅制品，每次浸渍时间为30分钟；
(4)将浸渍后的再结晶碳化硅制品取出，在80℃下干燥；
(5)重复步骤(3)和步骤(4)，共进行3次该重复，得浸渍再结晶碳化硅制品；
(6)将浸渍再结晶碳化硅制品置于真空气氛炉中，在真空条件下以每分钟8℃的速率升温至700℃，使聚碳硅烷裂解，在700～800℃间保持1.5小时，然后通入氩气至大气压力，再以每分钟8℃的速率升温至2200℃，保温1.5小时，得到体积密度为2.92g/cm3的高密度再结晶碳化硅制品，其开口气孔率为3.5％，室温抗弯强度达到125MPa，1400℃的高温抗弯强度为140MPa。
实施例3：所述用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法是：
(1)将密度为2.72g/cm3的普通再结晶碳化硅制品清洗干净，并在120℃下干燥。
(2)将分子量为2000～3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒径为0.5微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸渍浆料，其质量分数为：
碳化硅微粉 10份，
聚碳硅烷 45份，
二甲苯 55份；
(3)将经步骤(1)处理的普通再结晶碳化硅制品置于真空浸渍室内，启动真空泵，待真空室内的压力小于10Pa时，将浸渍浆料吸入真空室内，使溶液完全浸没再结晶碳化硅制品，每次浸渍时间为15分钟。
(4)将浸渍后的再结晶碳化硅制品取出，在80℃下干燥。
(5)重复步骤(3)和步骤(4)，共进行5次该重复，得浸渍再结晶碳化硅制品；
(6)将浸渍再结晶碳化硅制品置于真空气氛炉中，在真空条件下以每分钟10℃的速率升温至700℃，使聚碳硅烷裂解，在700～800℃间保持1小时，然后通入氩气至大气压力，再以每分钟10℃的速率升温至2350℃，保温2小时，得到体积密度为2.95g/cm3的高密度再结晶碳化硅制品，其开口气孔率为3％，室温抗弯强度达到130MPa，1400℃的高温抗弯强度为150MPa。
Claims (2)
1.一种用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法，包括以下步骤：
(1)将密度为2.45g/cm3～2.70g/cm3的普通再结晶碳化硅制品清洗干净，并在100℃～120℃下干燥；
(2)将分子量为1200～3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒径为0.5微米～2微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸渍浆料，其质量份数为：
碳化硅微粉 10～50份，
聚碳硅烷 20～50份，
二甲苯 50～75份；
(3)将经步骤(1)处理的再结晶碳化硅制品置于真空浸渍室内，启动真空泵，待真空室内的压力小于10Pa时，将浸渍浆料吸入真空室内，使溶液完全浸没再结晶碳化硅制品，根据产品厚度不同，每次浸渍时间为15分钟～60分钟；
(4)将浸渍后的再结晶碳化硅制品取出，在60℃～90℃下干燥，即完成一个浸渍周期；
(5)根据制品的气孔率和密度要求，重复步骤(3)和步骤(4)；每重复一次步骤(3)和步骤(4)为1个浸渍周期，重复2个至6个浸渍周期，得浸渍再结晶碳化硅制品；
(6)将浸渍再结晶碳化硅制品置于真空气氛炉中，在真空条件下以每分钟5℃～10℃的速率升温至700℃～800℃，保持1小时～2小时，使聚碳硅烷裂解；待聚碳硅烷裂解完成后，通入氩气至大气压力，再以每分钟5℃～10℃的速率升温至1400℃～2400℃，得到高密度再结晶碳化硅制品。
2.根据权利要求1所述用浸渍裂解法制备高密度再结晶碳化硅制品的方法，其特征是，所述高密度再结晶碳化硅制品的体积密度为2.85～2.95g/cm3，其开口气孔率为3～5％，室温抗弯强度为110～130MPa，1400℃的高温抗弯强度为130～150MPa。
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