CN105367058A - 真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，其特征在于采用颗粒级配原料组成外加1～1.5％木质素磺酸钙结合剂先混和，然后与水混合配料、注浆成型、真空烧结最终制得SiC陶瓷，所制备的SiC材料的断裂韧性K_IC可以在5～5.6MPa·m^1/2范围内可调，相对于普通SiC-B-C或SiC-A/N无压烧结的K_IC＝3.0～4.5MPa·m^1/2，提高了5％之多，适用于高温工业炉的使用，具有良好的商业价值。

Description

真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及的是一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，更确切地说涉及一种碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法。属于精细陶瓷领域。

背景技术

碳化硅陶瓷具有比重小、硬度高、比强度高、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震性能良好等特点，被广泛用于各类工业炉中的烧嘴。目前，工业化生产的碳化硅陶瓷主要采用反应烧结法制备，该烧结方法制得的碳化硅陶瓷硬度高、弹性模量大，但断裂韧性较低，通常低于3MPa·m^1/2。为此，改善碳化硅陶瓷的韧性成为研究热点。

经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN101104559的中国专利公开了一种碳纤维增强增韧反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，配料组分为碳化硅100重量份，炭黑7～18重量份，碳纤维2～8体积份，制备方法是将配料碳化硅和炭黑的复合粉体及碳纤维分散于有机单体和交联剂的溶液中，虽然碳纤维的加入明显提高了碳化硅陶瓷的强度和断裂韧性。但该体系的不足之处是：碳纤维在使用过程中，耐高温性能较差，增韧效果因而被弱化。检索中又发现，公开号为CN101747044A的中国专利公开了一种以中间相炭微球为炭源的反应烧结碳化硅陶瓷制备方法，首次采用中间相炭微球为炭源和10～40wt％碳化硅粉为原料，制备的反应烧结碳化硅陶瓷具有密度相对较低，强度高，残硅量小等特点。但仍然存在中间相炭微球使用过程中不耐高温的缺点。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，本发明旨在通过碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷，提高了材料的断裂韧性，进而拓宽反应烧结碳化硅材料的应用领域。

用于高温工业炉中的碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷，其特征在于：所述碳化硅陶瓷原材料各质量百分比含量为：粒度为45～75微米的碳化硅粉60～65％，粒度为3～5微米的碳化硅粉15～20％，粒度为3～5微米的金属硅粉3～5％，碳纤维4～6％，炭黑8～15％。外加上述干粉质量1～1.5％的木质素磺酸钙作结合剂。碳化硅粉纯度大于98.5％，金属硅粉纯度大于99.3％，炭黑纯度大于99.7％。上述原料先将金属硅粉和碳纤维混合研磨，然后配成浆料，注浆成型，在低真空度下脱模、烘干，然后再在真空度小于2Pa条件下先合成SiC晶须，然后1500-1900℃烧结，最终制得碳化硅陶瓷。

上述的碳化硅陶瓷的具体制备步骤为：

(1)研磨：首先将3～5％的金属硅粉和4～6％的碳纤维混合研磨。

(2)混合：再分别加入60～65％的粒度为45～75微米的碳化硅粉，15～20％的粒度为3～5微米的碳化硅粉，8～15％的炭黑，在搅拌机中预混0.5～1小时，外加上述干粉质量1～1.5％的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌6～10小时后，取出浆料。

(3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，真空度小于9KPa，6～10小时后开模，放入烘箱，50～70℃烘20～24小时。

(4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3～5毫米的金属硅，所埋的金属硅纯度大于98％。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1350～1400℃，保温2～3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须。再升温到1550～1900℃，保温2～4小时后随炉降温。

本发明涉及的碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅材料陶瓷体系，可在较宽的范围内调整其断裂韧性，使断裂韧性提高到5～5.6MPa·m^1/2。相对于普通SiC-B-C或SiC-A/N无压烧结制品的K_IC＝3.0～4.5MPa·m^1/2，提高了5％之多，所以由本发明提供的方法制备的SiC陶瓷材料适用于高温工业炉，具有良好的商业价值。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

(1)研磨：首先将3％的金属硅粉和6％的碳纤维混合研磨。

(2)混合：再分别加入65％的粒径为45～75微米的碳化硅粉，15％的粒径为3～5微米的碳化硅粉，11％的炭黑，在搅拌机中预混0.5小时，外加上述干粉质量1.2％的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌8小时后，取出浆料。

(3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，10小时后开模，放入烘箱，70℃烘24小时。

(4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3～5毫米的金属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1350℃，保温3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须。再升温到1900℃，保温2小时后随炉降温。

经检测，断裂韧性为5.2MPa·m^1/2。

实施例2：

(1)研磨：首先将5％的金属硅粉和4％的碳纤维混合研磨。

(2)混合：再分别加入65％的粒径为45～75微米的碳化硅粉，15％的粒径为3～5微米的碳化硅粉，11％的炭黑，在搅拌机中预混0.5小时，外加上述干粉质量1％的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌6小时后，取出浆料。

(3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，6小时后开模，放入烘箱，50℃烘20小时。

(4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3～5毫米的金属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1400℃，保温2小时，在坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须。再升温到1550℃，保温4小时后随炉降温。

经检测，断裂韧性为5.5MPa·m^1/2。

实施例3：

(1)研磨：首先将4％的金属硅粉和5％的碳纤维混合研磨。

(2)混合：再分别加入65％的粒径为45～75微米的碳化硅粉，15％的粒径为3～5微米的碳化硅粉，10％的炭黑，在搅拌机中预混0.5小时，外加上述干粉质量1.5％的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌10小时后，取出浆料。

(3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，6小时后开模，放入烘箱，50℃烘20小时。

(4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3～5毫米的金属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1400℃，保温3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须。再升温到1700℃，保温3小时后随炉降温。

经检测，断裂韧性为5.3MPa·m^1/2。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，其特征在于使用的颗粒级配的原料通过与水混合、注浆成型以及真空烧结工序制成的；

(1)原料的颗粒级配和组成

以上均为质量百分含量；

(2)先将金属硅粉和碳纤维混合研磨，然后配成浆料注入石膏模后在真空度小于9kPa脱模，烘干然后放入石墨坩埚中，在真空度小于2Pa条件下1350～1400℃合成SiC晶须，然后再升温至1550～1900℃烧结。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤是：

(1)研磨：首先将3～5％的金属硅粉和4～6％的碳纤维混合研磨；

(2)混合：再分别加入60～65％的粒径为45～75微米的碳化硅粉，15～20％的粒径为3～5微米的碳化硅粉，8～15％的炭黑，在搅拌机中预混，外加上述干粉质量1～1.5％的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌，取出浆料；

(3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，真空度小于9KPa，6～10小时后开模，放入烘箱，50～70℃烘干；

(4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3～5毫米的金属硅，在真空度小于2Pa真空炉中，，升温到1350～1400℃，使坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须，再升温到1550～1900℃，保温后随炉降温。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于：

a)步骤(2)所述的搅拌机预混时间0.5～1小时；加入木质素磺酸钙后搅拌时间为6～10小时；

b)步骤(3)在烘箱中烘干时间为20～24小时；

c)步骤(4)埋入金属硅粉质量百分纯度为大于98％；

d)步骤(4)所述的在1350～1400℃保温时间为2～3小时；

e)步骤(4)所述的升温到1550～1900℃保温时间为2～4小时。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于：

a)碳化硅粉纯度大于98.5％；

b)金属硅粉纯度大于99.3％；

c)碳黑的纯度大于99.7％。