CN104744048A - 致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，它的步骤如下：（1）将硅粉和石油焦粉末以质量比2-6:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，压制成型，烘干，得到坯料；（2）将坯料移入真空炉中，于1310-1410℃的条件下，在氮气氛下烧结0.5-1.0 hr，得到半烧结制品；（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，在1400-1450℃的条件下保温0.5-1.0hr；然后升温至1550-1650℃氮气氛下保温0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。本发明利用50-200目硅粉和石油焦粉末和少量酚醛树脂为初始原料，通过坯料低温氮化法和高温反应熔渗法获得原位Si4N3-SiC复合材料，孔隙率小于10%。该法形成复合材料具有界面清洁，氧含量低，密度高，相组成可以任意变化的特点。该法工艺简单，可工业规模生产。

Description

致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及提高反应烧结氮化硅密度的方法，属于原位碳化硅增韧原位氮化硅的技术领域。
背景技术
碳化硅与氮化硅陶瓷的密度几乎相同(Si3N4为3.19g/cm3，SiC为3.22g/cm3)，性能相似，两者可以因配比的不同，互为分散相和连续相，烧结成氮化硅结合碳化硅复合陶瓷。这种陶瓷体内形成了氮化硅-碳化硅交织结构，高温强度与耐热震性都很好，到1400°C高温时抗弯强度仍高达245~588MPa，受800°C至室温水中的热冲击后强度不会下降。氮化硅结合碳化硅材料通常用作耐火材料，性能优异，具有较高的高温强度、高导热、抗氧化、抗高温蠕变、耐腐蚀等一系列优良性能。
现有的碳化硅与氮化硅陶瓷制备工艺有如下三种：(1)将碳化硅和氮化硅细粉按较自由的比例混合，并添加氧化镁、氧化铝、氧化硼、氧化钇等烧结助剂中的一种或几种，然后在非氧化气氛中常压烧结或热压烧结。 (2)用粒径0.3~1.5mm的碳化硅粉和粒径小于10μm的硅粉按一定重量比例混合后成型，然后氮化反应烧结。 (3)用硅粉与有机硅树脂制成生坯，再氮化烧结，也能得到氮化硅结合碳化硅复合陶瓷，其中碳化硅组分占5~20%，氮化硅占95~80%。
但是，反应烧结氮化硅结合碳化硅工艺与反应烧结氮化硅工艺具有相似的特点，这种工艺的产品密度极大地取决于素坯密度，一般都含有较多的气孔，密度不高，强度不大。目前，反应烧结氮化硅结合碳化硅的气孔率可达30%左右，阻碍了该材料的应用及发展。此外，从现在的研究方法可以看出，现有方法前两种是直接加入的成品碳化硅粉末，后面一种虽然是利用硅氮化为氮化硅，且同时硅和树脂中的碳反应生成碳化硅，从而获得反应烧结氮化硅结合碳化硅材料，但是这一工艺碳化硅的生成量受到有机硅树脂的含量限制，从而碳化硅组分只占到占5~20%，不能随意调节。
发明内容
本发明的目的在于克服现有反应烧结氮化硅结合碳化硅密度低，且其中原位生产碳化硅含量不能随意调节和控制的缺点，而提供一种反应烧结氮化硅和反应熔渗碳化硅相结合的工艺及方法。使用该方法可获得几乎致密的反应烧结氮化硅结合碳化硅复合材料，且氮化硅和碳化硅相对含量可以随意控制，两种物相均为原位生成，工艺简单，适用于工业规模。
本发明的技术方案是：一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，它的步骤如下：
（1）将硅粉和石油焦粉末以质量比2-6:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，酚醛树脂的加入质量为石油焦粉末质量的10%-50%，压制成型，烘干，得到坯料；
（2）将坯料移入真空炉中，于1310-1410℃的条件下，在氮气氛下烧结0.5-1.0 hr，得到半烧结制品；
（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，硅粉的加入质量为石油焦粉末质量的1-2倍，在1400-1450℃的条件下保温0.5-1.0hr；然后升温至1550-1650℃氮气氛下保温0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。
所述硅粉的目数是50-200。
所述石油焦粉末的目数是50-200。
本发明的有益效果是：本发明利用50-200目硅粉和石油焦粉末和少量酚醛树脂为初始原料，通过坯料低温氮化法和高温反应熔渗法获得原位Si4N3-SiC复合材料，孔隙率小于10%。该法形成复合材料具有界面清洁，氧含量低，密度高，相组成可以任意变化的特点。该法工艺简单，可工业规模生产。
通过反应烧结氮化硅工艺和反应熔渗碳化硅工艺的组合，得到的反应烧结氮化硅结合碳化硅复合材料，具有密度高，可达到92%以上，碳化硅相和氮化硅相比例含量可任意变化和控制，而且两种物相均为原位生成的特点。
具体实施方式
实施例1
粒度为50目的硅粉2.8g,粒度为100目的石油焦粉1.2g，均匀混合后加入0.2g的酚醛树脂，并混合均匀。在40×5×5mm的模具内压制成型，后于100℃烘干0.5hr。移入真空烧结炉中，通入N2，于1380℃烧结40min。
将上述半烧结制品取出，再次移入铺有1.5g硅粉的真空烧结炉中，在1450℃保温0.5hr，后升温至1550℃，通入N2并保温40min；然后升温至1670℃，并抽真空。随后随炉冷却。
利用水煮法测的复合材料密度为99%，气孔率为1%。氧含量为0.05%。原位复合材料组成为Si4N3-80%SiC。
实施例2
粒度为100目的硅粉9.0g,粒度为80目的石油焦粉1.5g，均匀混合后加入0.7g的酚醛树脂，并混合均匀。在40×5×5mm的模具内压制成型，后于100℃烘干0.5hr。移入真空烧结炉中，通入N2，于1400℃烧结40min。
将上述半烧结制品取出，再次移入铺有2.1g硅粉的真空烧结炉中，在1430℃保温0.5hr，后升温至1550℃，通入N2并保温40min；然后升温至1650℃，并抽真空。随后随炉冷却。
利用水煮法测的复合材料密度为99.5%，气孔率为0. 5%。氧含量为0.02%。原位复合材料组成为Si4N3-40%SiC。
实施例3
粒度为80目的硅粉2.7g,粒度为80目的石油焦粉1.2g，均匀混合后加入0.23g的酚醛树脂，并混合均匀。在40×5×5mm的模具内压制成型，后于100℃烘干0.5hr。移入真空烧结炉中，通入N2，于1380℃烧结40min。
将上述半烧结制品取出，再次移入铺有1.5g硅粉的真空烧结炉中，在1440℃保温0.5hr，后升温至1550℃，通入N2并保温40min；然后升温至1650℃，并抽真空。随后随炉冷却。
利用水煮法测的复合材料密度为99.4%，气孔率为0. 6%。氧含量为0.04%。原位复合材料组成为Si4N3-10%SiC。
实施例4
一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，它的步骤如下：
（1）将50目的硅粉和50目的石油焦粉末以质量比2:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，酚醛树脂的加入质量为石油焦粉末质量的10%，压制成型，烘干，得到坯料；
（2）将坯料移入真空炉中，于1310℃的条件下，在氮气氛下烧结0.5 hr，得到半烧结制品；
（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，硅粉的加入质量为石油焦粉末质量的1倍，在1400 ℃的条件下保温0.5 hr；然后升温至1550 ℃氮气氛下保温0.5 hr，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。
实施例5
一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，它的步骤如下：
（1）将200目的硅粉和200目的石油焦粉末以质量比6:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，酚醛树脂的加入质量为石油焦粉末质量的50%，压制成型，烘干，得到坯料；
（2）将坯料移入真空炉中，于1410℃的条件下，在氮气氛下烧结1.0 hr，得到半烧结制品；
（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，硅粉的加入质量为石油焦粉末质量的2倍，在1450℃的条件下保温1.0hr；然后升温至1650℃氮气氛下保温1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。
实施例6
一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，它的步骤如下：
（1）将100目的硅粉和100目的石油焦粉末以质量比5:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，酚醛树脂的加入质量为石油焦粉末质量的20%，压制成型，烘干，得到坯料；
（2）将坯料移入真空炉中，于1350℃的条件下，在氮气氛下烧结40 min，得到半烧结制品；
（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，硅粉的加入质量为石油焦粉末质量的1.5倍，在1420℃的条件下保温40 min；然后升温至1600 ℃氮气氛下保温40 min，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。

Claims (3)

1.一种致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）将硅粉和石油焦粉末以质量比2-6:1均匀混合，加入适量酚醛树脂，酚醛树脂的加入质量为石油焦粉末质量的10%-50%，压制成型，烘干，得到坯料；
（2）将坯料移入真空炉中，于1310-1410℃的条件下，在氮气氛下烧结0.5-1.0 hr，得到半烧结制品；
（3）将半烧结制品再次移入铺有真空烧结炉中，硅粉的加入质量为石油焦粉末质量的1-2倍，在1400-1450℃的条件下保温0.5-1.0hr；然后升温至1550-1650℃氮气氛下保温0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC复合材料。
2.根据权利要求1所述的致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅粉的目数是50-100。
3.根据权利要求1所述的致密原位Si4N3-SiC复合材料的制备方法，其特征在于：所述石油焦粉末的目数是50-100。
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