CN102503431B

CN102503431B - 一种碳化硅陶瓷制品及制备方法

Info

Publication number: CN102503431B
Application number: CN 201110331293
Authority: CN
Inventors: 万龙刚; 王建栋; 刘臻; 李刚; 黄志林; 吴吉光
Original assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102503431A

Abstract

本发明属于耐火材料制备技术领域，尤其是涉及一种碳化硅陶瓷制品及制备方法；以碳化硅为主要原料，引入部分碳化硅微粉，采用有机结合剂，并引入添加剂B₄C或单质B，在艾奇逊碳化硅冶炼炉2000~2300℃区域内烧结；上述制品所用的碳化硅原料组成及质量百分比为：碳化硅颗粒占65~75%、碳化硅细粉占15~20%、碳化硅微粉占10~15%；添加剂B₄C为碳化硅原料重量的2~3%或单质B为碳化硅原料重量的1~2%，加入碳化硅原料重量的3~4%的结合剂。本发明提出的碳化硅陶瓷制品及制备方法改善了制品的导热性、高温强度及其化学侵蚀性。

Description

一种碳化硅陶瓷制品及制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料制备技术领域，尤其是涉及一种碳化硅陶瓷制品及制备方法。

背景技术

SiC属于人工合成原料，有α、β两种晶体结构。其中β-SiC为低温型碳化硅，在1800℃以下能够稳定存在，高于1800℃将发生晶型转变，生成α-SiC。SiC具有优异的物理化学性能，如导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，化学性能稳定等，因此广泛应用于化工、钢铁、有色、磨料磨具等领域。

碳化硅制品的种类繁多，由于结合相的性能决定碳化硅制品的性能，因此按照其结合相的不同大致分为三类：1.硅酸盐结合制品，如粘土结合碳化硅、莫来石结合碳化硅；2.氮化物结合制品，如氮化硅结合碳化硅、氧氮化硅结合碳化硅，塞隆结合碳化硅；3.自结合制品，如反应烧结碳化硅、碳化硅陶瓷。上述制品中，在相同的实验条件下，自结合制品抗渣侵蚀性能较显著。

目前碳化硅制品的制备方法主要有：压力烧结（如热压烧结、等静压烧结、无压烧结）、反应烧结法、微波烧结法。上述方法大多数需要苛刻的烧结条件，制备工艺复杂，不适合工业化生产。工业生产上主要使用的是反应烧结法，该方法的主要特点是在1500℃以下就能实现烧结，制备出β-SiC结合碳化硅制品，但是反应烧结方法生成的β-SiC晶粒细小，制品显气孔率一般在13%以上，因此，该烧结方法对制品的性能有一定的限制。如申请号为200910227624.6在实施例中所述制品的显气孔率均在13%以上。

显气孔率是耐火材料的重要性能指标，尤其对材料抗侵蚀性能的影响显著。显气孔的大小和分布相近时，显气孔率小的抗侵蚀性能好；相同的显气孔率，气孔小且分布均匀的抗侵蚀性能好。就碳化硅陶瓷而言，在某些领域使用时要求高的抗侵蚀性能，因此，迫切要求研究出低气孔率的碳化硅陶瓷制品。

无压烧结碳化硅是将粒度小于1μm的SiC微粉中添加少量的添加剂，如B₄C、B等，在2000℃以上烧结成致密（相对密度98%以上）的碳化硅。由此可见，无压烧结方法能改善材料的烧结性能，然而该方法在耐火材料领域中的应用却未见报道。本发明将无压烧结方法引入耐火材料制品的制备技术中，把显气孔率降低到7%以下，提高了制品性能。

使用温度在2000℃以上的高温烧结设备造价一般较贵。此外，在高温下作业时设备部件易损毁，部件造价也较高，设备的维护费用也高。由于在艾奇逊碳化硅冶炼炉内的某些位置适合碳化硅坯体的烧结，冶炼炉的容积也很大，一次能够烧结几十吨的碳化硅制品。因此，在碳化硅冶炼炉内随炉烧结显著降低了生产成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种碳化硅陶瓷制品及制备方法，改善制品的导热性、高温强度及其化学侵蚀性。

本发明完成其发明任务所采用的技术方案如下：一种碳化硅陶瓷制品，以碳化硅为主要原料，引入部分碳化硅微粉，采用有机结合剂，并引入添加剂B₄C或单质B，在艾奇逊碳化硅冶炼炉2000~2300℃区域内烧结；为了改善目前碳化硅制品的性能，本发明在碳化硅制品制备过程中引入碳化硅微粉及添加剂，并将坯体在碳化硅冶炼炉2000~2300℃的区域内随炉烧结； 1、利用碳化硅微粉在添加少量B₄C或单质B后在2000~2300温度范围内能够烧结致密的特点，引入部分碳化硅微粉及添加剂B₄C或单质B；2、艾奇逊碳化硅冶炼炉能够提供2000~2300℃烧成温度条件，并且该炉的升温速度缓慢，炉内气体流动很小，能为坯体提供良好的烧结条件，另外，利用艾奇逊碳化硅冶炼炉烧结碳化硅时，其成本较低。本发明一方面避免了建造专门的烧结窑炉，提高了冶炼炉的使用效率，节约了生产成本；另一方面，提高了制品的烧结温度，降低了材料的显气孔率，改善了制品的性能。因此该方法较适合于工业化生产；所述制品所用的碳化硅原料组成及质量百分比为：碳化硅颗粒65~75%，碳化硅细粉15~20%，碳化硅微粉10~15%；添加剂B₄C为碳化硅原料重量的3%或单质B为碳化硅原料重量的1~2%，结合剂为碳化硅原料重量的3~4%。

所述碳化硅原料粒度组成为：小于等于2.5mm、大于等于1mm的碳化硅颗粒，小于1mm、大于0.088mm的碳化硅颗粒，小于等于88μm 、大于等于1μm的碳化硅细粉，小于1μm的碳化硅微粉；所述碳化硅原料中：SiC含量大于98%、Fe₂O₃小于0.5%、C小于0.5%。

所述添加剂B₄C的粒度小于1μm，单质B的粒度小于1μm；所用结合剂为酚醛树脂。

所采用的制备方法如下：

A、将碳化硅细粉、碳化硅微粉、添加剂先混合均匀，再与碳化硅颗粒、结合剂混合均匀，在成型机上压制成型；

B、将压制坯体在200℃下干燥5~8小时；

C、将烘干后的坯体置于艾奇逊碳化硅冶炼炉2000~2300℃区域内烧结；

D、冶炼炉冷却至室温后即可得到碳化硅陶瓷制品。

本发明解决了制品的高温烧结问题，降低了生产成本；显著降低了制品的气孔率，改善了制品的结构，提高了制品的抗侵蚀性、导热性、高温强度、抗氧化性能；制备工艺简单，生产效率高；因此，本发明应用价值较高，易于实现工业化。

具体实施方式

下面以实例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表一所示。

表一

按照表一精确称量上述原料，精确度为0.1g。将已称量的碳化硅细粉、碳化硅微粉、B₄C微粉在行星式球磨机中混练30分钟，制成混合细粉。然后将碳化硅颗粒料先在混合机中混5分钟，加入结合剂，再混合5分钟，最后加入混合细粉，再混15分钟，确保物料已经混匀。

(2)成型：把混合后的物料用成型机压制成预先规定尺寸的坯体。

(3)干燥：成型后的坯体置于干燥设备中，按照1℃/分的速度缓慢升温，温度升高到200℃后保温8小时。

(4)烧结：把干燥后的坯体置于碳化硅冶炼炉中，并保证坯体在2000~2300℃区域内烧结。冷却到室温后即得到碳化硅陶瓷制品。

制品的性能指标如下：

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				5.14	3.00	240	42

实施例2

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表二所示。

表二

(3)干燥：成型后的坯体置于干燥设备中，按照1℃/分的速度升温，温度升高到200℃后保温8小时。

制品的性能指标如下：

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				4.77	3.03	290	45

实施例3

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表三所示。

表三

按照表一精确称量上述原料，精确度为0.1g。将已称量的碳化硅细粉、碳化硅微粉、B微粉在行星式球磨机中混练30分钟，制成混合细粉。然后将碳化硅颗粒料先在混合机中混5分钟，加入结合剂，再混合5分钟，最后加入混合细粉，再混15分钟，确保物料已经混匀。

(2)成型：把混合后的物料用成型机压制成预先规定尺寸的制品。

(4)烧结：把干燥后的碳化硅坯体置于碳化硅冶炼炉中，并保证坯体在2000~2300℃的区域内烧结。冷却到室温后即得到碳化硅陶瓷制品。

制品的性能指标如下

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				5.42	2.99	231	40

实施例4

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表四所示。

表四

Figure 2011103312938100002DEST_PATH_IMAGE007

(4)烧结：把干燥后的坯体置于碳化硅冶炼炉中，并保证坯体在2000~2300℃的区域内烧结。冷却到室温后即得到碳化硅陶瓷制品。

制品的性能指标如下：

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				5.34	3.00	237	42

实施例5

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表五所示。

表五

(4)烧结：把干燥后的坯体置于碳化硅冶炼炉中，并保证坯体在2000~2300℃的区域内烧成。冷却到室温后即得到碳化硅陶瓷制品。

制品的性能指标如下

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				4.89	3.01	269	44

实施例6

(1)配料：按照质量百分比计算，具体组成配比如表六所示。

表六

制品的性能指标如下

显气孔率/%	体积密度/g·cm^-3	高温抗折/MPa	热导率/W·m^-1·k^-1
				5.83	2.98	209	39

Claims

1.一种碳化硅陶瓷制品，其特征是：以碳化硅为主要原料，引入部分碳化硅微粉，采用有机结合剂，并引入添加剂B₄C或单质B，在艾奇逊碳化硅冶炼炉2000~2300℃区域内烧结；上述制品所用的碳化硅原料组成及质量百分比为：碳化硅颗粒占65~75%、碳化硅细粉占15~20%、碳化硅微粉占10~15%；添加剂B₄C为碳化硅原料重量的2~3%或单质B 为碳化硅原料重量的1~2%，加入碳化硅原料重量3~4%的结合剂。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷制品，其特征在于：所述碳化硅原料粒度组成为：小于等于2.5mm、大于等于1mm的碳化硅颗粒和小于1mm、大于等于0.088mm的碳化硅颗粒，小于等于88μm 、大于等于1μm的碳化硅细粉，小于1μm的碳化硅微粉，所述碳化硅原料的化学组成为：SiC含量大于98%、Fe₂O₃不大于0.5%、C不大于0.5%。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷制品，其特征在于：所述添加剂B₄C的粒度不大于1μm，单质B的粒度不大于1μm，所述的结合剂为酚醛树脂。

4.一种碳化硅陶瓷制品的制备方法，其特征在于：

所述制品所用的碳化硅原料组成及质量百分比为：碳化硅颗粒65~75%，碳化硅细粉15~20%，碳化硅微粉10~15%；添加剂B₄C为碳化硅原料重量的3%或单质B为碳化硅原料重量的1~2%，结合剂为碳化硅原料重量的3~4%；

a.将碳化硅细粉、碳化硅微粉、添加剂先混合均匀，再与碳化硅颗粒、结合剂混合均匀，用成型机压制成型；

b.将压制坯体在200℃下干燥5~8小时；

c.将烘干后的坯体置于艾奇逊碳化硅冶炼炉2000~2300℃区域内烧结；

d.冶炼炉冷却至室温后即可得到碳化硅陶瓷制品。