CN104496512B - 一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂及其制备方法。该用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，包括以下重量百分含量的组分：水25-35％，聚丙烯酰胺5-7％，胶粘剂1-2％，碳化硅微粉30-45％，硅粉10-20％，碳粉5-8％。该方法包括：(1)将聚丙烯酰胺加入水中，搅拌使之充分溶解，再加入胶粘剂，配置聚丙烯酰胺溶液；(2)将Si粉、C粉及碳化硅微粉依次加入聚丙烯酰胺溶液中，配置成料浆；(3)然后对料浆进行球磨，得到粘结剂。本发明的粘结剂与坯体成分一致，避免成分不均造成的烧结变形；固含量适宜，能保证料浆的流动性，水量适中，避免坯体吸浆过快，降低粘结效果，且粘结剂中按化学计量比加入硅粉和碳粉，这样会避免烧成制品中富碳或者富硅。

Description

一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及碳化硅陶瓷领域，特别涉及一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷由于其自身的众多优点，如高强度、高硬度、高弹性模量，优异的热稳定性，既高热导率、低热膨胀系数，良好的比刚度和光学加工性能，特别适合于精密运动平台骨架、吸盘、水冷板，以及精密测量反射镜、光栅等部件的应用。因此碳化硅陶瓷材料作为制备光刻机部件材料之一，受到广泛关注。而光刻机所需陶瓷部件，大多是中空结构，有些部件尺寸很大，对于这些结构件，就需要将两部分，甚至几部分分别先进行加工，然后将加工完的部件粘结在一起，组成一个中空结构件，或者大尺寸部件。尤其对精密结构件而言，对制备结构件的材料的均匀性有较高的要求，不仅要求粘结层的粘结强度要高，而且需要粘结层和本体材料之间有较好的一致性，这就对用于陶瓷材料粘结的粘结剂及粘结技术提出了更高的要求。为了满足这一应用需求，研制出一种适用于碳化硅陶瓷材料坯件连接的粘结剂变的至关重要。

专利DE19636223C2公开了一种借助有机连接剂和碳粉末制成的膏体将至少两个碳纤维强化的塑料部件连接在一起的方法。膏体在800℃至1200℃的温度下发生热解，在热解过程中膏体由于收缩产生微裂纹系统。在接下来的整个部件的硅化过程中，硅不仅会进入膏体的微裂纹中，也会进入碳纤维强化的塑料微裂纹中，由此和部件的碳纤维以及膏体中的碳粉末反应形成碳化硅。在两个部件的连接层中进行的碳和硅的化学反应以及可能存在的副反应，可能会使得制成的总部件的均一性产生问题。因为在零部件中存在塑料复合的碳纤维，在中间层的膏体中存在分布于有机连接剂中的碳粉末，在硅化过程中必然会导致产生不同的反应性能，从而导致最终材料中出现不均匀性以及不期望出现的收缩。

专利CN103476734A“由多坯件拼合生产陶瓷部件的方法”，采用的是碳化硅和至少一种聚合物粘结剂如酚醛树脂或者不含C的聚合物作为粘结剂，这种粘结剂是用来连接复合材料和无结晶形多孔碳基材制成的坯件，且未对材料的一致性做要求。采用酚醛树脂及骨料碳化硅颗粒的粘结剂，粘结碳化硅坯体，粘结强度较高，但是对于碳化硅的精密制造而言会带来两个问题，一是酚醛树脂固化后，硬度很高，坯体加工困难；二是酚醛树脂粘结剂涂敷在碳化硅坯件表面，碳化硅坯体对酚醛料浆的吸附存在问题。容易使粘结层出现空隙。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种流动性较好，且与本体碳化硅构件一致性较好的碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，包括以下重量百分含量的组分：

水25-35％，聚丙烯酰胺5-7％，胶粘剂1-2％，碳化硅微粉30-45％，硅粉10-20％，碳粉5-8％。

本发明提供优选的技术方案：用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，包括以下重量份的组分：

水35％，聚丙烯酰胺7％，胶粘剂2％，碳化硅微粉30％，硅粉20％，碳粉6％。

所述胶粘剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或羧甲基纤维素。

所述碳化硅微粉包括第一粒度的碳化硅微粉和第二粒度的碳化硅微粉，所述第一粒度的碳化硅微粉的粒度为1－10μm，所述第二粒度的碳化硅微粉的粒度为20－40μm，所述第一粒度的碳化硅微粉与所述第二粒度的碳化硅微粉的质量比为1-2：1。

本发明还提供一种使用上述的用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物制备粘结剂的方法，包括以下步骤：

(1)将聚丙烯酰胺加入水中，搅拌使之充分溶解，再加入胶粘剂，配置聚丙烯酰胺溶液；

(2)将硅粉、碳粉及碳化硅微粉依次加入聚丙烯酰胺溶液中，配置成料浆；

(3)然后对料浆进行球磨，得到粘结剂。

所述球磨的时间为15-25小时。

本发明又提供一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂，是按照上述的方法制备得到。

本发明再提供一种使用上述的碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，包括以下步骤：

1)对粘结剂进行抽真空处理，然后将粘结剂涂敷在需要粘接的两个碳化硅坯件表面，保证坯件充分吸水，且2个坯件之间可以滑动，压紧两个坯件，然后放置烘箱中干燥；

2)在预设温度下烧结干燥后的坯件，使粘结剂中的Si和坯件里的碳充分反应，生成碳化硅粘接层，从而完成两个碳化硅坯件的连接。

所述干燥的温度为110-130℃，干燥的时间为3－5小时。

所述预设温度为1450℃－1550℃，烧结的时间为1－3小时。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1)本发明与坯体成分一致，避免成分不均造成的烧结变形；

2)能保证流动性，水量适中，避免坯体吸浆过快，降低粘结效果；

3)渗透性好，即料浆中的水分容易通过形成的坯层，能不断被坯体吸收；

4)在涂敷之前对粘结剂进行抽真空处理，真空处理使浆料尽量不含气泡，避免粘结层的不连续；

5)能实现复杂中空、薄壁薄筋结构的连接。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的碳化硅陶瓷在线反应连接的方法的流程图；

图2是本发明实施例中提供的粘结剂粘结的样品形貌图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，碳化硅陶瓷在线反应连接的方法的流程图，碳化硅、碳粉和硅粉、分散剂聚丙烯酰胺的水溶液和胶粘剂在球磨机中进行球磨，在球磨的过程中，各物质互相得到分散，得到混合均匀的料浆，从而得到粘结剂。出料后利用真空除气装置进行真空除气，然后将除完气的料浆涂覆在坯体表面，反复涂敷，直到料浆充分浸润连接面表面，在约0.2MPa的外压力作用下将两个坯体压在一起，然后通过干燥使其固化，最好通过烧结，使两个坯体通过粘接层连接在一起。

本发明的粘结剂与坯体成分一致，避免成分不均造成的烧结变形；固含量适宜，能保证料浆的流动性，水量适中，避免坯体吸浆过快，降低粘结效果，且粘结剂中按化学计量比加入硅粉和碳粉，这样会避免烧成制品中富碳或者富硅。

采用本发明的粘结剂粘结的样品形貌如图2所示，其中粘结层1的结构与周围的碳化硅坯件的结构一致。

实施例1

按照以下配比准备原料：

水31.34％，聚丙烯酰胺6.07％，聚乙烯吡咯烷酮1.48％，碳化硅微粉38.43％，硅粉15.95％，碳粉6.76％。其中，粒度为5μm的碳化硅微粉与粒度为30μm碳化硅微粉的质量比为1.5：1；这样的配比可以实现良好的堆积。

一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水加入聚丙烯酰胺中，搅拌使之充分溶解，再加入聚乙烯吡咯烷酮，配置聚丙烯酰胺溶液；

(2)将硅粉和碳化硅微粉依次加入聚丙烯酰胺溶液中，配置成料浆；

(3)然后对料浆进行球磨20小时，得到粘结剂。

一种使用碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，包括以下步骤：

1)利用真空除气装置对粘结剂进行真空除气，将除完气的粘结剂涂敷在需要粘接的两个碳化硅坯件表面，保证坯件充分吸水，且2个坯件之间可以滑动，压紧两个坯件，然后放置烘箱中120℃干燥4小时；真空除气是将粘结剂放入真空除气装置中，抽真空至真空度在10pa，除去粘结剂里的气体。

2)在1500℃下烧结2小时干燥后的坯件，使粘结剂中的Si和坯件里的碳充分反应，生成碳化硅粘接层，从而完成两个碳化硅坯件的连接。

本发明提供的粘接剂流动性较好，粘结时满足碳化硅坯件吸附要求的且与本体碳化硅构件一致性较好。

实施例2

按照以下配比准备原料：

水25％，聚丙烯酰胺5％，聚乙烯醇1％，碳化硅微粉45％，硅粉16％，碳粉8％。其中，粒度为10μm的碳化硅微粉与粒度为40μm碳化硅微粉的质量比为2：1；

一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的制备方法，与实施例1基本相同，所不同的是：球磨15小时；

一种使用碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤(1)中，110℃干燥5小时；步骤(2)中在1450℃下烧结1小时。

实施例3

按照以下配比准备原料：

水35％，聚丙烯酰胺7％，聚乙烯吡咯烷酮2％，碳化硅微粉30％，硅粉20％，碳粉6％。

其中，粒度为1μm的碳化硅微粉与粒度为20μm碳化硅微粉的质量比为1：1；

一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的制备方法，与实施例1基本相同，所不同的是：球磨25小时；

一种使用碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤(1)中，130℃干燥3小时；步骤(2)中在1550℃下烧结3小时。

实施例4

按照以下配比准备原料：

水34.4％，聚丙烯酰胺6％，聚乙烯吡咯烷酮1.5％，碳化硅微粉43％，硅粉10％，碳粉5％。

一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的制备方法，与实施例1基本相同，所不同的是：使用一种粒径为30μm的碳化硅微粉，球磨15小时；

一种使用碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，与实施例1相同。

本发明用于连接坯件均为采用丙烯酰胺作为单体通过凝胶注模成型制备的C/SiC坯体，其内部结构为三维网络状聚丙烯酰胺聚合物，因此采用聚丙烯酰胺作为粘接料粘结剂，引入长链结构高分子集团，当高温炭化后可在粘接界面形成类似坯体内部的微观结构，有利于提高粘接界面与坯体的结合强度。聚丙烯酰胺对于粉体同时具有一定的分散效果，有利于料浆中Si微粉的分散。聚丙烯酰胺的溶液中包含一种强碱可用于碳化硅微粉的分散，此强碱不与硅发生反应。

本发明的粘结剂具有以下的优点：

1)粘结剂能满足碳化硅坯件吸附要求，与坯体具有较好的相容性，能充分润湿粘接层，能够均匀涂覆在C/SiC坯体表面，在较小的压力下能形成微米级尺寸的粘接层，对粘接后尺寸精度影响较小；

2)粘接料具有优良的流变性能。分散均匀，无团聚体；流动性好；

3)与坯件一致性较好，粘结剂能和碳化硅坯件保持高度的一致性，不会影响坯件的后加工及使用要求。

4)适应厚尺寸、中空结构的样品，该工艺能有效解决复杂中空结构、厚尺寸的样品的制备问题，极大地拓展凝胶注模成型工艺的适用范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：

水25-35％，聚丙烯酰胺5-7％，胶粘剂1-2％，碳化硅微粉30-45％，硅粉10-20％，碳粉5-8％。

2.根据权利要求1所述的用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：

水35％，聚丙烯酰胺7％，胶粘剂2％，碳化硅微粉30％，硅粉20％，碳粉6％。

3.根据权利要求1所述的用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，其特征在于，所述胶粘剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或羧甲基纤维素。

4.根据权利要求1所述的用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物，其特征在于，所述碳化硅微粉包括第一粒度的碳化硅微粉和第二粒度的碳化硅微粉，所述第一粒度的碳化硅微粉的粒度为1－10μm，所述第二粒度的碳化硅微粉的粒度为20－40μm，所述第一粒度的碳化硅微粉与所述第二粒度的碳化硅微粉的质量比为1-2：1。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的用于碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂的组合物制备粘结剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将聚丙烯酰胺加入水中，搅拌使之充分溶解，再加入胶粘剂，配置聚丙烯酰胺溶液；

(2)将硅粉、碳粉及碳化硅微粉依次加入聚丙烯酰胺溶液中，配置成料浆；

(3)然后对料浆进行球磨，得到粘结剂。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述球磨的时间为15-25小时。

7.一种碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂，其特征在于，是按照权利要求5或6所述的方法制备得到。

8.一种使用权利要求7所述的碳化硅陶瓷在线反应连接的粘结剂进行碳化硅陶瓷在线反应连接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对粘结剂进行抽真空处理，然后将粘结剂涂敷在需要粘接的两个碳化硅坯件表面，保证坯件充分吸水，且2个坯件之间可以滑动，压紧两个坯件，然后放置烘箱中干燥；

2)在预设温度下烧结干燥后的坯件，使粘结剂中的Si和坯件里的碳充分反应，生成碳化硅粘接层，从而完成两个碳化硅坯件的连接。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述干燥的温度为110-130℃，干燥的时间为3－5小时。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述预设温度为1450℃－1550℃，烧结的时间为1－3小时。