CN104876583A - 一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅70-80、蛭石粉4-5、糊精2-4、石墨烯6-8、短切碳纤维预分散体12-15、聚乙二醇2-3、甘油2-3、刚玉砂4-5、烧结助剂3-5、去离子水90-100；本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，添加的石墨烯制造的陶瓷更耐热、更结实且耐压强度大大提高。

Description

一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷
技术领域
    本发明涉及一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
碳化硅是共价键很强的化合物，共价键成分约占88%，硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等少数几种物质，并具有力学性能优良、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳以及抗热震和耐化学腐蚀等特性，被日益广泛应用于电子、机械、冶金、生物医学及石油化工等领域中。然而，由于碳化硅的高硬度和高脆性，其机械加工性能很差，使用金刚石砂轮的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，加工时需要刚硬度的磨床和昂贵的金刚石砂轮，加工成本高，生产效率低，而且只能加工形状简单的零件，对于复杂的型腔或型面则难以加工，并且加工后的碳化硅表面和亚表面会产生多种类型的损伤从而影响工件的最终使用性能。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，耐腐蚀性能优异，还拥有独特的物理、化学和结构特性，本发明在碳化硅陶瓷中添加石墨烯制造的陶瓷体更耐热、更结实且耐压强度大大提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：
一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，由下列重量份的原料制成：碳化硅70-80、蛭石粉4-5、糊精2-4、石墨烯6-8、短切碳纤维预分散体12-15、聚乙二醇2-3、甘油2-3、刚玉砂4-5、烧结助剂3-5、去离子水90-100；
所述烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
本发明所述一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、蛭石粉、石墨烯、刚玉砂、聚乙二醇和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
本发明的优点是：本发明添加的短切碳纤维提高碳化硅的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求，添加的石墨烯制造的陶瓷更耐热、更结实且耐压强度大大提高。
具体实施方案
下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
 一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，由下列重量份（公斤）的原料制成：碳化硅80、蛭石粉5、糊精4、石墨烯7、短切碳纤维预分散体14、聚乙二醇2、甘油3、刚玉砂5、烧结助剂4、去离子水100；
所述烧结助剂是由15重量份的氧化铝、8重量份的硼化锆、18重量份的碳粉混合研磨成300目粉末，加入0.6重量份的亚甲基双丙烯酰胺和15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在12MPa下压制成胚料，然后于700°C下干燥粉碎成200目粉末即可。
本发明所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在3mm，在600°C下低温氧化2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散20分钟，再加入碳纤维0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散2小时即可。
本发明所述一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、蛭石粉、石墨烯、刚玉砂、聚乙二醇和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以400转/分的转速进行湿法混合，混合2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至200转/分，继续球磨2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20°C/min升温至1700°C，恒温保持4小时，试样随炉冷却即可得到。
本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：
硬度（GPa）：30.4；
弹性模量（GPa）：390；
抗折强度（MPa）：200；
断裂韧性（Mpa/m1/2）：4.65；
热膨胀系数（10-5/K）：1.7；
热传导率（W/mK）：110。

Claims (3)

1.一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成：碳化硅70-80、蛭石粉4-5、糊精2-4、石墨烯6-8、短切碳纤维预分散体12-15、聚乙二醇2-3、甘油2-3、刚玉砂4-5、烧结助剂3-5、去离子水90-100；
所述的烧结助剂是由10-15重量份的氧化铝、8-12重量份的硼化锆、15-20重量份的碳粉混合研磨成200-300目粉末，加入0.4-0.8重量份的亚甲基双丙烯酰胺和10-15重量份的乙醇溶液混合搅拌均匀，加热蒸去溶剂在10-15MPa下压制成胚料，然后于600-800°C下干燥粉碎成150-200目粉末即可。
2.根据权利要求1所述一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，其特征在于，所述短切碳纤维预分散体的制备方法为：将碳纤维短切为长度在1-3mm，在500-600°C下低温氧化1-2小时，再将其浸入体积比为3：7的稀硝酸和丙酮的混合溶液中，浸泡1-2天后用去离子水反复冲洗表面直至溶液呈中性，烘干后采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面形成氧化锆涂层，再将该碳纤维完全浸入水中，超声波分散10-20分钟，再加入碳纤维0.3-0.5倍重量份的OP-10乳化剂，继续超声分散1-2小时即可。
3.根据权利要求1所述一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷，其特征在于，由以下具体步骤制成：
（1）将碳化硅、蛭石粉、石墨烯、刚玉砂、聚乙二醇和去离子水混合加到球磨罐中，以高纯度氧化铝磨球球磨2-3小时，再加入除短切碳纤维预分散体之外其余剩余的成分以300-400转/分的转速进行湿法混合，混合1-2小时；
（2）将短切碳纤维预分散体加到步骤（1）中，转速降低至100-200转/分，继续球磨1-2小时，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于80°C下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至重量不再减少；
（3）将步骤（2）得到的碳化硅陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以20-25°C/min升温至1600-1700°C，恒温保持3-5小时，试样随炉冷却即可得到。
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