CN102295458A

CN102295458A - 一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN102295458A
Application number: CN2011101541862A
Authority: CN
Inventors: 李宏; 王彭; 王祎
Original assignee: JIANGSU TAYAL PHOTOVOLTAIC AUXILIARY MATERIAL CO Ltd
Current assignee: JIANGSU TAYAL PHOTOVOLTAIC AUXILIARY MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明公开了一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，首先将废弃碳化硅粉末、碳化硅粉料、粘接剂和溶剂按比例加入球磨机，然后将混合粉末放入干燥箱中烘干，接着将粉末装入模具内，加压成毛坯后，再将毛坯捣碎，过筛，后将过筛后的粉料均匀布在模具型腔内，再次模压成生坯，经升温干燥排胶后，将生坯放置在石墨坩埚内，并在坩埚内加入金属硅，将坩埚放入高温真空烧结炉内烧结，然后降温，得到反应烧结碳化硅陶瓷。本发明流程简便，适合工业化大规模生产，不仅能有效解决大量碳化硅废料的环境污染和资源浪费问题，还降低了反应烧结碳化硅材料的原料价格。

Description

一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，具体涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

在各种碳化硅陶瓷中，反应烧结碳化硅材料是一种重要的结构陶瓷材料，具有净尺寸成型，强度高、硬度高、耐腐蚀性好等一系列优点；目前反应烧结碳化硅制备的一系列产品，如喷嘴、方梁、保护管等在我国结构陶瓷产业中占有重要的地位。其生坯原料目前基本上是以α-SiC，外加碳源(如石油焦、炭黑、石墨等)和粘接剂三种，通过碳与硅在高温下进行反应，形成二次碳化硅并将原有的碳化硅颗粒粘接获得高性能的碳化硅陶瓷。

煤炭石油等非可再生能源的不断开采和使用，将在数十年内消耗殆尽。对新的可持续发展能源的开发和研究得到了广泛的关注。在此背景下，硅太阳能光伏技术得到了蓬勃发展。高质量的硅晶片是光伏在当前石油天然气等不可再生能源可能在数十年内耗竭的背景下，陶瓷产业中提高粉料的回收利用率对实现节能减排有着重要意义。特别是近年来，我国光伏产业的产能迅速发展，而切割硅晶料目前普遍采用将碳化硅微粉加入悬浮液配成切削液配合金属丝切割加工，所以每年消耗的碳化硅粉料几十万吨。由于现行的碳化硅工业合成过程是用阿奇逊法使用石焦碳或无烟煤和石英砂为原料进行高温合成，因此在成品碳化硅块体中不可避免的存在碳杂质。碳化硅块料一般通过破碎、球磨、筛分、水洗、酸洗、溢流等一系列工艺加工成碳化硅微粉，其中杂质碳现在一般的除碳工艺是在碳化硅微粉的生产过程中使用发泡法，通过泡沫的表面吸附分离碳化硅和碳，这样就不可避免地会夹带出一些碳化硅粉末，造成碳化硅和碳的混合废料。对环境造成污染，并造成了大量的资源浪费。因此，利用废弃碳化硅粉末简单高效制备反应烧结碳化硅陶瓷已成为解决上述问题的重要方向之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种简单高效的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将废弃碳化硅粉末、碳化硅粉料、粘接剂和溶剂按比例加入球磨机，球磨湿混，然后再混合粉末中加溶剂至混合粉末中溶剂含量12～15％；

第二步：将上述混合粉末放入干燥箱中，烘干至溶剂含量为3～10％，然后将粉末装入模具内，加压成毛坯后，再将毛坯捣碎，过筛；

第三步：将上步所得过筛后的粉料均匀布在模具型腔内，再次模压成生坯；

第四步：将上步所得生坯升温干燥排胶；

第五步：将干燥排胶后的生坯放置在石墨坩埚内，并在坩埚内加入金属硅，将坩埚放入高温真空烧结炉内，氮气保护下缓慢升温，达到烧结温度后，保温1～3小时，然后降温，得到反应烧结碳化硅陶瓷；

其中，废弃碳化硅粉末含碳质量百分比不低于30％。

其中，碳化硅粉料中碳化硅的含量不低于96％；碳化硅粉料的用量是废弃碳化硅粉末用量的1～2倍。

其中，第一步中粘接剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇缩丁醛，羧甲基纤维素钠，酚醛树脂中的至少一种，用量为废弃碳化硅粉末和碳化硅粉料重量之和的15～25％。

其中，第一步中溶剂为水或无水乙醇。

其中，第三步中所述模压的成型压力为60～130MPa。

其中，第四步中升温干燥排胶的温度为550～650℃。

其中，第五步中金属硅的加入量为废弃碳化硅粉末和碳化硅粉料重量之和的50～60％。

其中，第五步中高温真空烧结炉的烧结温度为1450～1600℃，升温速度为10～50℃/min。

其中，第三步中过筛为机械振动或人工振动；第四步中升温干燥排胶的设备为真空炉或气氛保护炉。

本发明的优点和有益效果在于：由于本发明流程简便，适合工业化大规模生产，不仅能有效解决大量碳化硅废料的环境污染和资源浪费问题，还降低了反应烧结碳化硅材料的原料价格。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明是一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将废弃碳化硅粉末300g、碳化硅粉料300g、粘接剂酚醛树脂100g、溶剂无水乙醇78g加入球磨机，球磨湿混，然后再混合粉末中加18g溶剂无水乙醇至混合粉末中溶剂含量为12％；

第二步：将上述混合粉末放入干燥箱中，烘干至溶剂含量为3％，然后将粉末装入模具内，加压60MPa成毛坯后，再将毛坯捣碎，机械振动过筛；

第三步：将上步所得过筛后的粉料均匀布在模具型腔内，再次60MPa模压成生坯；

第四步：将上步所得生坯置于真空炉内550℃干燥排胶；

第五步：将干燥排胶后的生坯放置在石墨坩埚内，并在坩埚内加入300g金属硅，将坩埚放入高温真空烧结炉内氮气保护，保持升温速度为10℃/min，升至1450℃下保温1.5小时，然后降温，得到反应烧结碳化硅陶瓷；

其中，废弃碳化硅粉末含碳质量百分比为40％。

其中，碳化硅粉料中碳化硅的含量为97％。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明较佳的技术方案是一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将废弃碳化硅粉末200g、碳化硅粉料400g、粘接剂聚乙烯醇100g、溶剂水80g加入球磨机，球磨湿混，然后再混合粉末中加44g溶剂水至混合粉末中溶剂含量为15％；

第二步：将上述混合粉末放入干燥箱中，烘干至溶剂含量为10％，然后将粉末装入模具内，加压130MPa成毛坯后，再将毛坯捣碎，机械振动过筛；

第三步：将上步所得过筛后的粉料均匀布在模具型腔内，再次130MPa模压成生坯；

第四步：将上步所得生坯置于真空炉内650℃干燥排胶；

第五步：将干燥排胶后的生坯放置在石墨坩埚内，并在坩埚内加入300g金属硅，将坩埚放入高温真空烧结炉内氮气保护，保持升温速度为50℃/min，升至1600℃下保温3小时，然后降温，得到反应烧结碳化硅陶瓷；

其中，废弃碳化硅粉末含碳质量百分比为40％。

其中，碳化硅粉料中碳化硅的含量为97％。

实施例3

在实施例2的基础上，本发明较佳的技术方案还包括一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将废弃碳化硅粉末200g、碳化硅粉料350g、粘接剂酚醛树脂100g、溶剂无水乙醇72g加入球磨机，球磨湿混，然后再混合粉末中加34g溶剂无水乙醇至混合粉末中溶剂含量为14％；

第二步：将上述混合粉末放入干燥箱中，烘干至溶剂含量为6％，然后将粉末装入模具内，加压100MPa成毛坯后，再将毛坯捣碎，机械振动过筛；

第三步：将上步所得过筛后的粉料均匀布在模具型腔内，再次100MPa模压成生坯；

第四步：将上步所得生坯置于真空炉内600℃干燥排胶；

第五步：将干燥排胶后的生坯放置在石墨坩埚内，并在坩埚内加入300g金属硅，将坩埚放入高温真空烧结炉内氮气保护，保持升温速度为25℃/min，升至1500℃下保温2小时，然后降温，得到反应烧结碳化硅陶瓷；

其中，废弃碳化硅粉末含碳质量百分比为40％。

其中，碳化硅粉料中碳化硅的含量为97％。

由上述方法获得的碳化硅基反应烧结碳化硅陶瓷烧结体测定室温下的三点弯曲强度，阿基米德排水法测定开气孔率，光学显微镜观察金相组织，并用维氏硬度仪进行显微硬度试验，扫描电子显微镜在生坯断面上观察显微组织，表观气孔率、烧结体硬度和机械强度的性能结果如下表所示：

本发明回收粉料制备的反应烧结碳化硅陶瓷的性能参数

	开气孔率(％)	硬度(HV)	密度(g/cm3)	强度(MPa)
					实施例1	0.13	2141	3.013	282
实施例2	0.26	2111	3.011	312
					实施例3	0.05	2207	3.026	347

以上其中仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法包括以下步骤：

第四步：将上步所得生坯升温干燥排胶；

2.如权利要求1其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述废弃碳化硅粉末含碳质量百分比不低于30％。

3.如权利要求2其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述碳化硅粉料中碳化硅的含量不低于96％；所述碳化硅粉料的用量是废弃碳化硅粉末用量的1～2倍。

4.如权利要求3其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第一步中粘接剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇缩丁醛，羧甲基纤维素钠，酚醛树脂中的至少一种，用量为废弃碳化硅粉末和碳化硅粉料重量之和的15～25％。

5.如权利要求4其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第一步中溶剂为水或无水乙醇。

6.如权利要求5其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第三步中所述模压的成型压力为60～130MPa。

7.如权利要求6其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第四步中升温干燥排胶的温度为550～650℃。

8.如权利要求7其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第五步中金属硅的加入量为废弃碳化硅粉末和碳化硅粉料重量之和的50～60％。

9.如权利要求8其中的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第五步中高温真空烧结炉的烧结温度为1450～1600℃，升温速度为10～50℃/min。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第三步中过筛为机械振动或人工振动；所述第四步中升温干燥排胶的设备为真空炉或气氛保护炉。