CN107764069B - 一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,属于反应烧结碳化硅制备技术领域。本发明所述支撑结构由上石墨板、下石墨板和位于两石墨板中间的陶瓷球构成,主要是通过置于石墨板沉台内的陶瓷球实现滚动支撑;陶瓷球的滚动可以实现支撑区域位置的变化,而且支撑区域位置变化时只受陶瓷球的滚动摩擦力,由于陶瓷球的滚动摩擦力很小,坯体的热胀冷缩过程几乎不受支撑区域的约束限制,可以实现坯体的自由膨胀与收缩,大大减小烧结过程中坯体的应力,提高制备过程中的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种烧结过程中用于支撑坯体的结构,特别涉及一种大尺寸反应烧结碳化硅在烧结过程中水平无约束的支撑结构,属于反应烧结碳化硅制备技术领域。
背景技术
反应烧结碳化硅是一种最常用的工程陶瓷之一,其制备方法是将SiC/C多孔预制体(以下简称预制体)和Si一起放入真空烧结炉中加热,使熔融的Si完全渗入预制体的孔隙中,坯体中的碳与渗入的硅反应生成新的碳化硅,剩余的液态游离硅填充气孔,从而得到致密的碳化硅陶瓷,完成其反应烧结过程。
小尺寸的反应烧结碳化硅制备时,可以直接将预制体和Si放在真空烧结炉的坩埚内进行反应烧结,升降温过程中坯体(预制体或反应烧结完的制品)发生的热胀冷缩虽然会受到坩埚滑动摩擦力的约束,但其自身重量小,摩擦力也小,坯体热胀冷缩量也比较小,坯体强度足以承受,对烧结成品率几乎没有影响。因此,国内诸多反应烧结碳化硅相关的专利大都未提及其烧结过程中的支撑方式。
然而,大尺寸的反应烧结碳化硅制备时,坯体重量非常大;如果采用传统的直接将坯体放到坩埚上,或在石墨坩埚上用耐高温的固体支撑的方法,在升降温过程中,由于坯体和坩埚线膨胀系数的差异,坯体的膨胀和收缩过程会受到支撑点处较大摩擦力的约束,在坯体上产生较大应力。由于SiC/C预制体在升温烧结过程中强度较低,反应烧结完的坯体在高温时强度也比较低,则当坯体中任意一点的应力大于坯体强度时,就会导致坯体开裂,使反应烧结碳化硅制品作废。因此,对于大尺寸反应烧结碳化硅的制备来说,其在真空炉内的支撑方式是否合理是决定其能否烧制成功的关键因素之一。
发明内容
针对现有技术制备的大尺寸反应烧结碳化硅的成品率低的问题,本发明的目的在于提供一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,所述支撑结构由上下两石墨板和位于其中间的陶瓷球构成,陶瓷球的滚动可以实现支撑区域位置的变化,而且支撑区域位置变化时只受陶瓷球的滚动摩擦力,由于陶瓷球的滚动摩擦力很小,坯体的热胀冷缩过程几乎不受支撑区域的约束限制,可以实现坯体的自由膨胀与收缩,大大减小烧结过程中坯体的应力,提高制备过程中的成品率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,所述支撑结构包括上石墨板、下石墨板、等直径的陶瓷球以及易挥发性固体。
所述上石墨板或下石墨板由一块以上石墨板组成;组成上石墨板或下石墨板的每块石墨板本身的两个平面的平行度不大于0.05mm;组成下石墨板的所有石墨板位于同一水平面上,误差不超过0.1mm,避免在坯体的重力下,陶瓷球滚动到限位位置(陶瓷球与沉台边缘接触),失去调整支撑位置变化的作用;石墨板要有一定的厚度,确保上石墨板和下石墨板均能够承受坯体的重量。
上石墨板和下石墨板上对称加工有均匀分布的沉台,所述沉台应有足够的尺寸,保证陶瓷球在沉台内可以滚动足够的距离,但是尺寸不能太大,否则无法起到限位的作用;沉台的大小可以根据其支撑坯体位置适当调整,中心附近坯体热胀冷缩量小,沉台直径可适当减小,外围坯体热胀冷缩量大,沉台直径可适当增大,保证陶瓷球的可滚动距离大于此支撑区域对应坯体的膨胀/收缩量1mm~3mm。
所述陶瓷球在1500℃的高温下不变形,并且不与石墨、硅蒸汽以及其他炉内气体发生反应,优选Si3N4球或者无压烧结SiC球。陶瓷球的直径与沉台尺寸相关,确保陶瓷球的可滚动距离即可。陶瓷球的数量与陶瓷球自身高温强度、刚度及抗蠕变性相关,确保在坯体重力的压力下,陶瓷球不损坏,不变形。
所述易发挥性固体为在烧结过程的真空条件或/加热条件下可快速挥发或者分解的固体,烧结前对陶瓷球产生约束防止陶瓷球滚动,真空条件或/加热条件下可迅速挥发或分解,陶瓷球可以滚动;优选苯甲酸、萘或者碳酸氢铵。
下石墨板水平放置在坩埚中,陶瓷球置于下石墨板沉台的中心处,陶瓷球与下石墨板沉台之间的空隙用易挥发性固体填充,上石墨板置于陶瓷球上,陶瓷球与上石墨板沉台的中心点相接触;烧结时,将坯体置于上石墨板上即可。
本发明所述的支撑结构适用于一个以上维度大于1m的碳化硅坯体或其他陶瓷坯体的反应烧结过程。
有益效果:
本发明所述的坯体支撑结构采用滚动支撑方式,烧结过程中各个被支撑区域位置变化时只受陶瓷球的滚动摩擦力,由于陶瓷球的滚动摩擦力很小,大大减小坯体在热胀冷缩时受到的摩擦力,坯体的热胀冷缩过程几乎不受支撑区域的约束限制,以实现坯体自由膨胀与收缩,进而提高制备过程的成品率;采用置于沉台内的陶瓷球实现滚动支撑,即可保证滚动支撑,也可避免陶瓷球不受限的滚动;另外,在烧结前,先用易挥发性固体将陶瓷球固定在沉台的中心,避免陶瓷球错位,烧结过程中易挥发性固体挥发或者分解后,坯体在发生热胀冷缩的过程中可以推动陶瓷球滚动,使上石墨板与坯体一起移动,实现支撑区域的位置变化。
附图说明
图1为本发明所述支撑结构的结构示意图。
其中,1-坩埚,2-下石墨板,3-陶瓷球,4-易挥发性固体,5-上石墨板,6-坯体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述,其中,所述方法如无特别说明均为常规方法,所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
对直径2m、重量200kg非实心圆柱体结构的预制体进行烧结时:
(1)取20块300mm×300mm×30mm的高强石墨板,每一块石墨板的两个平面的平行度为不大于0.05mm;
在其中12块石墨板上铣磨出三排三列共9个Φ40mm的沉台,沉台深度为4mm,每块石墨板上的沉台在石墨板上的相对位置一致;
在其中6块石墨板上铣磨出三排三列共9个Φ30mm的沉台,沉台深度为4mm,每块石墨板上的沉台在石墨板上的相对位置一致;
在其中2块石墨板上铣磨出三排三列共9个Φ20mm的沉台,沉台深度为4mm,两块石墨板上的沉台在石墨板上的相对位置一致;
(2)在反应烧结炉的坩埚1中心直径2m的圆内分布10个带有沉台的石墨板,沉台向上,作为下石墨板2;用不同厚度的石墨纸垫在10块石墨板的下面,使10块石墨板位于同一水平面上,误差不超过0.1mm;
其中,10块石墨板具体分布如下:中心1块沉台直径20mm的石墨板,内圈3块沉台直径30mm的石墨板,均匀分布,分布圆直径为900mm,以中心石墨板几何中心为圆心;外圈6块沉台直径40mm的石墨板,均匀分布,分布圆直径为1700mm,与内圈分布圆同心;
(3)下石墨板2上的每个沉台中心放一个Φ20mm的无压烧结SiC球,SiC球尺寸精度达到轴承滚珠级;SiC球与下石墨板2沉台之间的空隙用萘粉体填充并压实,使SiC球不能滚动;
(4)将另外10块带有沉台的石墨板与下石墨板2中10块石墨板相对应的放置在SiC球上,沉台向下,作为上石墨板5;其中,SiC球位于上石墨板5沉台的中心,上石墨板5与下石墨板2相对应的沉台尺寸相同;
(5)保证坯体6底面的平面度,将坯体放在由上述10块石墨板组成的上石墨板5上,坯体6与上石墨板5中的10块石墨板的分布圆同心;
(6)对反应烧结炉抽真空,使炉内气压低于50Pa,然后加热至70℃,保温5h,使SiC球周围的萘粉体完全升华,消失;再按照一定升降温程序对预制体进行加热,在预制体(或坯体)不受水平约束力的情况下完成反应烧结过程。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)
1.一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述支撑结构包括上石墨板(5)、下石墨板(2)、等直径的陶瓷球(3)以及易挥发性固体(4);
上石墨板(5)和下石墨板(2)上对称加工有均匀分布的沉台;
所述陶瓷球(3)在1500℃的高温下不变形,并且不与石墨以及硅蒸汽发生反应;
所述易发挥性固体(4)为在烧结过程的真空条件下、在烧结过程的加热条件下或者在烧结过程的真空条件和加热条件下可快速挥发或者分解的固体;
下石墨板(2)水平放置在坩埚(1)中,陶瓷球(3)置于下石墨板(2)沉台的中心处,陶瓷球(3)与下石墨板(2)沉台之间的空隙用易挥发性固体(4)填充,上石墨板(5)置于陶瓷球(3)上,陶瓷球(3)与上石墨板(5)沉台的中心点相接触;烧结时,将坯体(6)置于上石墨板(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述上石墨板(5)或下石墨板(2)由一块以上石墨板组成;组成上石墨板(5)或下石墨板(2)的每块石墨板本身的两个平面的平行度不大于0.05mm。
3.根据权利要求2所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:组成下石墨板(2)的所有石墨板位于同一水平面上,误差不超过0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述沉台的尺寸大于此支撑区域对应坯体(6)的膨胀/收缩量1mm~3mm。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述陶瓷球(3)为Si3N4球或者无压烧结SiC球。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述易发挥性固体(4)为苯甲酸、萘或者碳酸氢铵。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种大尺寸反应烧结碳化硅烧结过程的支撑结构,其特征在于:所述的支撑结构适用于一个以上维度大于1m的碳化硅坯体或其他陶瓷坯体的反应烧结过程。
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