CN107459357A - 碳化硅复合粉体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅复合粉体及其制备方法和应用，所述碳化硅复合粉体的造粒方法，包括以下步骤：步骤1，将平均粒径不大于1.5μm的β‑SiC微粉与水以及分散剂按质量比(0.1～0.2)∶1∶(0.03～0.08)混合均匀，置于砂磨机中循环粉碎，得到纳米β‑SiC浆料；步骤2，向纳米β‑SiC浆料中加入微米级α‑SiC和粘结剂，搅拌均匀得到混合浆料，其中所述的微米级α‑SiC的质量为混合浆料质量的0.8‑0.9，所述粘结剂的质量为为混合浆料质量的0.03‑0.05；步骤3，将混合浆料用蠕动泵送进喷雾造粒机内，得到碳化硅复合造粒粉。高纯纳米级β‑SiC的引入，不仅可以降低烧结温度，提高陶瓷的韧性和强度，更重要的是在烧结过程中会逐渐转变成α‑SiC变成均一相而不会降低碳化硅陶瓷使用性能的稳定性。

Description

碳化硅复合粉体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及粉体加工技术领域，特别是涉及一种微纳米级碳化硅复合粉体造粒方法。

背景技术

碳化硅(Silicon Carbide，SiC)粉体由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗高温氧化性、低热膨胀系数等优越特性，常用于制成碳化硅陶瓷广泛应用于冶金、机械、石油、化工、微电子、航空航天、钢铁、汽车等领域。但由于碳化硅的强共价键性(共价键成分占88％)导致其的高温扩散系数低，烧结难以致密，力学性能较差。目前工业上碳化硅陶瓷的烧结温度一般高达2000℃以上。如何最大程度地降低其烧结温度从而降低制造成本、提高碳化硅陶瓷的力学性能是碳化硅陶瓷商业化应用的主要瓶颈，也是目前该领域的研究热点。在现有的制备碳化硅陶瓷的方法中，热压烧结制备的碳化硅陶瓷的性能优良，但热压烧结成本高且难以制备复杂形状的碳化硅陶瓷。相对于热压烧结技术，无压烧结制备的碳化硅陶瓷的致密性稍有逊色，但是，无压烧结可制备复杂形状且厚度较大的碳化硅陶瓷制品，生产成本相对较低。在陶瓷的烧结工艺中，粉体原料的配比、粒度、晶型等将对陶瓷的烧结性能产生重要的影响。有学者发现将纳米级的TiN作为增强相引入到SiC陶瓷中制备纳米复合SiC陶瓷，不但可以降低其烧结温度，还能提高其强度和韧性。详见硅酸盐学报，2010，38，(2)：258-264.

SiC是一种多晶型结构化合物，β-SiC是唯一具有立方晶系结构的化合物，其它晶系结构的化合物统称为α-SiC。α-SiC是高温稳定六方晶体，β-SiC是低温稳定面心立方晶体。β-SiC的生成温度介于1200～1900℃，当温度更高时则趋向于生成α-SiC。与α-SiC相比，β-SiC晶体的等轴结构特点决定了其具有比α-SiC更好的自然球度，有更优异的密堆特性，更有利于陶瓷制品的致密化。同时，由于β-SiC合成时温度远低于α-SiC，其颗粒更易细化和均一化，其纳米～亚微米级超细粒子的烧结活性要比α-SiC优异得多，可以在更低的温度下，更简便的工艺流程中和更便宜的烧结设施中实现各种制品材料的烧结和致密化，以获得高力学性能的各种结构材料。国内外有学者通过将β-SiC与α-SiC复合制备碳化硅陶瓷。但均采用的是微米级的β-SiC粉体。由于纳米级β-SiC粒子的比表面积大、比表面能高，颗粒间极易发生团聚，一旦烘干成粉状，所产生的硬团聚很难被打开。国内外常用超声波、机械搅拌、表面处理等方法对纳米粒子进行分散，往往达不到比较满意的效果。目前尚未见有采用纳米级β-SiC与微米级α-SiC复合制备微纳米级碳化硅复合造粒粉的报道。陶瓷材料的显微结构和性能依赖于粉体性质、成型及烧结工艺。就粉体性质而言，粉体的颗粒大小与分布、分散或团聚状态直接影响到最终陶瓷制品的结构及性能。高纯超微的SiC粉体是发展高强度的碳化硅材料和碳化硅基复合材料的基础。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种微纳米级碳化硅复合粉体造粒方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

本发明的一种微纳米级碳化硅复合粉体造粒方法，包括以下步骤：

步骤1，制备纳米级β-SiC浆料：将平均粒径不大于1.5μm的β-SiC微粉与水以及分散剂按质量比(0.1～0.2)∶1∶(0.03～0.08)混合均匀，置于砂磨机中循环粉碎，直至混合料中固体物料的粒径为纳米级，得到30-100nm的纳米β-SiC浆料；

步骤2，向步骤1研磨得到的纳米β-SiC浆料中加入微米级α-SiC和粘结剂，搅拌均匀得到混合浆料，其中所述的微米级α-SiC的质量为混合浆料质量的0.8-0.9，所述粘结剂的质量为为混合浆料质量的0.03-0.05；

步骤3，将步骤2得到混合浆料用蠕动泵送进喷雾造粒机内，得到30-100μm碳化硅复合造粒粉。

优选的，所述步骤1中的β-SiC微粉通过无限微热源法制备得到。

优选的，所述步骤1中的分散剂为四甲基氢氧化铵、聚乙二醇6000、六偏磷酸钠中的任意一种或多种。

优选的，所述步骤1中的β-SiC微粉的研磨工艺参数为：研磨介质球为经整形后的粒径为0.05mm～0.1mm的立方碳化硅晶体，研磨介质球的体积为砂磨机中粉碎腔总体积的60％～80％，循环粉碎的速率为500r/min～1000r/min，循环粉碎的时间为1d～3d。

优选的，所述步骤2中的α-SiC粒度为0.3-0.5μm。

优选的，所述步骤2中的粘结剂为水溶性酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇中的任意一种或多种。。

优选的，所述步骤3中的造粒工艺采用离心喷雾造粒，具体工艺参数为：进口温度为250-280℃，出风口温度为90-120℃，喷头转速为18000～20000r/min，蠕动泵流速为100-150r/min。

优选的，所述步骤1中的水为纯水或去离子水。

本发明的另一方面，还包括一种如上述方法制备的复合粉体。

优选的，所述复合粉体中含有80％～90％的微米级α-SiC、5％～17％的纳米级β-SiC，3％～5％的粘结剂，微米级其中α-SiC的粒度为0.3-0.5μm，纳米级β-SiC的粒度为30～100nm，所述复合粉体的颗粒粒径为30-100μm。

本发明的另一方面，还包括所述复合粉体在制备碳化硅陶瓷材料中的应用。

优选的，所述复合粉体在在烧结过程中，β-SiC会逐渐转变成α-SiC变成均一相。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明选用的粉料为纳米β-SiC和亚微米级的α-SiC。高纯纳米级β-SiC的引入，不仅可以降低烧结温度，提高陶瓷的韧性和强度，更重要的是在烧结过程中会逐渐转变成α-SiC变成均一相而不会降低碳化硅陶瓷使用性能的稳定性。采用亚微米级的α-SiC，也可极大地提高其比表面积而提高烧结活性、细化晶粒而增强碳化硅陶瓷制品的韧性和强度。

2、本发明选用的纳米β-SiC的制备方法为砂磨机循环粉碎法。砂磨机属于湿法超细研磨设备，是从球磨机发展而来，是目前物料适应性最广、最为先进、效率最高的研磨设备。在循环粉碎过程中添加分散剂，纳米立方碳化硅颗粒产生的新鲜表面立即被分散剂包裹，通过空间-静电位阻效应阻止纳米颗粒的重新团聚，从而获得稳定分散的纳米立方碳化硅浆料。砂磨粉碎制备的纳米立方碳化硅浆料其表面电位高达-61mV，具有很好的分散稳定性。

3、本发明选用经整形处理后的粒径在0.05mm～0.1mm立方碳化硅晶体作为研磨介质球，避免了在砂磨粉碎过程中由不同质介质球磨损引进的杂质，保证了纳米立方碳化硅的纯度，无需再进行提纯处理。

4、本发明所用的纳米β-SiC直接从砂磨好的纳米浆料进行配制，不经过干燥环节，避免了干燥过程中产生的二次硬团聚，确保了纳米粒子的分散稳定性。

5、本发明所用的造粒工艺为离心喷雾造粒。作为目前陶瓷领域应用广泛的造粒工艺，不仅可以避免各组分的再团聚和沉降分离，保持浆料原有的均匀性，得到粒度分布均匀、球形度好、流动性好且适合连续自动成型的造粒粉，还可以提高生产效率和产品稳定性。

附图说明

图1所示为本发明制备得到的碳化硅复合粉体造粒粉电镜照片。

其中(a)、(b)、(c)分别为放大200倍、1000倍、3000倍的电镜照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的碳化硅复合粉体的造粒方法，包括以下步骤：

步骤1，通过无限微热源法制备β-SiC微粉。

步骤2，制备纳米级β-SiC浆料：将步骤1得到的平均粒径不大于1.5μm的β-SiC微粉与水以及分散剂按质量比(0.1～0.2)∶1∶(0.03～0.08)混合均匀，所述分散剂可采用四甲基氢氧化铵、聚乙二醇6000、六偏磷酸钠中的任意一种或多种，置于砂磨机中循环粉碎，研磨介质球为经整形后的粒径为0.05mm～0.1mm的立方碳化硅晶体，研磨介质球的体积为砂磨机中粉碎腔总体积的60％～80％，循环粉碎的速率为500r/min～1000r/min，循环粉碎的时间为1d～3d，当混合料中固体物料的粒径为纳米级时，停止研磨得到30-100nm纳米β-SiC浆料；

步骤3，向步骤2研磨得到的纳米β-SiC浆料中加入α-SiC和粘结剂，所述微米级α-SiC的粒度为0.3-0.5μm，所述粘结剂可采用水溶性酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇中的任意一种或多种。搅拌均匀得到混合浆料，其中所述的微米级α-SiC的质量为混合浆料质量的0.8-0.9，所述粘结剂的质量为为混合浆料质量的0.03-0.05；

步骤4，将步骤3得到混合浆料用蠕动泵送进喷雾造粒机内，喷雾造粒机的进口温度为250-280℃，出风口温度为90-120℃，喷头转速为18000～20000r/min，蠕动泵流速为100-150r/min，通过喷雾造粒得到粒度范围在30-100μm碳化硅复合造粒粉。

由上述方法制备得到碳化硅复合造粒粉的电镜图，如图1所示，由图可看出，造粒粉表面光整致密、微纳米粉体分散均匀，粒径分布较窄，粒度基本介于30-100μm之间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制备纳米级β-SiC浆料：将平均粒径不大于1.5μm的β-SiC微粉与水以及分散剂按质量比(0.1～0.2)∶1∶(0.03～0.08)混合均匀，置于砂磨机中循环粉碎，直至混合料中固体物料的粒径为纳米级，得到30-100nm纳米β-SiC浆料；

步骤2，向步骤1研磨得到的纳米β-SiC浆料中加入微米级α-SiC和粘结剂，搅拌均匀得到混合浆料，其中所述的微米级α-SiC的质量为混合浆料质量的0.8-0.9倍，所述粘结剂的质量为为混合浆料质量的0.03-0.05倍；

步骤3，将步骤2得到混合浆料用蠕动泵送进喷雾造粒机内，得到粒度尺寸为30-100μm的碳化硅复合造粒粉。

2.如权利要求1所述的碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，所述步骤1中的分散剂为四甲基氢氧化铵、聚乙二醇6000、六偏磷酸钠中的任意一种或多种。

3.如权利要求1所述的碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，所述步骤1中的β-SiC微粉的研磨工艺参数为：研磨介质球为经整形后的粒径为0.05mm～0.1mm的立方碳化硅晶体，研磨介质球的体积为砂磨机中粉碎腔总体积的60％～80％，循环粉碎的速率为500r/min～1000r/min，循环粉碎的时间为1d～3d。

4.如权利要求1所述的碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，所述步骤2中的α-SiC粒度为0.3-0.5μm。

5.如权利要求1所述的碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，所述步骤2中的粘结剂为水溶性酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇中的任意一种或多种。

6.如权利要求1所述的碳化硅复合粉体造粒方法，其特征在于，所述步骤3中的造粒工艺采用离心喷雾造粒，具体工艺参数为：进口温度为250-280℃，出风口温度为90-120℃，喷头转速为18000～20000r/min，蠕动泵流速为100-150r/min。

7.如权利要求1-6中任一项方法制备得到的复合粉体。

8.如权利要求7所述的复合粉体，其特征在于，所述复合粉体中含有80％～90％的微米级α-SiC、5％～17％的纳米级β-SiC，3％～5％的粘结剂，其中微米级α-SiC的粒度为0.3-0.5μm，纳米级β-SiC的粒度为30～100nm，所述复合分体的颗粒粒径为30-100μm。

9.如权利要求7或8所述的复合粉体在制备碳化硅陶瓷材料中的应用。

10.如权利要求9所述的复合粉体在制备碳化硅陶瓷材料中的应用，其特征在于，所述复合粉体在在烧结过程中，β-SiC会逐渐转变成α-SiC变成均一相。