CN108727032A - 石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：1)、首先将有机单体和交联剂溶解于去离子水中，然后加入分散剂Ⅰ，搅拌至混合均匀；接着加入石墨粉后球磨；再加入分散剂Ⅱ，继续球磨；2)、在水基石墨浆料中加入引发剂，搅拌至引发剂刚好完全溶解，立即注入到模具中，在常温下进行有机单体的交联固化反应，从而形成湿胚；3)、将湿胚连同模具干燥至湿胚不再收缩，得到素胚；4)、将上述素胚和硅片依次堆叠放置于真空反应烧结炉中，升温至后烧结，炉冷后出炉，烧结结束，得到碳化硅陶瓷。本发明采用水基料浆和凝胶注模技术，使得碳化硅陶瓷形状可以设计，对于模具要求低，尺寸保留程度高。

Description

石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法

技术领域

本发明涉及的一种制备碳化硅部件的方法，具体涉及一种石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法。

背景技术

碳化硅材料具备优良的力学和热学性能，如具有足够的强度和刚度，良好的导热性、耐热性和耐热冲击能力，以及良好的耐腐蚀性。其所烧结成的碳化硅陶瓷部件被广泛应用作磨料、耐火材料、高温部件、机械密封材料等，在军工、航天等高精尖领域的应用拥有良好的前景诸多领域。

目前，制备高密度碳化硅陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结等。现在工业所采用的烧结工艺均需要使用碳化硅(SiC)颗粒，然而碳化硅颗粒的制备过程需要消耗大量的能源，且烧结过程较为困难。另一方面，现在碳化硅部件坯体主要通过压制成型，形状受模具规定，如要定制新式样的碳化硅部件，需重新铸造模具，过程过于复杂。

因此，有必要改进碳化硅陶瓷的成型工艺，制备形状各异的碳化硅陶瓷部件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可设计形状的石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：

1)、首先将有机单体和交联剂按34～36:3的质量比例混合后溶解于去离子水中，然后加入石墨粉质量1.45～1.55％的分散剂Ⅰ，搅拌至混合均匀，使得有机单体质量浓度为19～21％；接着加入石墨粉后球磨19～21分钟；再加入石墨粉质量0.55～0.65％的分散剂Ⅱ，继续球磨19～21分钟，配置成石墨粉质量含量为40％～60％的水基石墨浆料；

2)、在水基石墨浆料中加入引发剂，引发剂为水基石墨浆料的0.3wt％～0.6wt％，搅拌3～10s(搅拌至引发剂刚好完全溶解)，立即注入到模具中，在10℃～30℃(常温)下进行有机单体的交联固化反应(0.5～2分钟)，从而形成湿胚；

3)、将湿胚连同模具共同于55～65℃下干燥23～25小时(干燥至湿胚不再收缩)，得到素胚；

4)、将上述素胚和硅片依次堆叠放置于真空反应烧结炉中，素胚和硅片质量比为1:1.0～1.1，升温至1500～1560℃保温1～10小时，炉冷至190～210℃出炉，得到碳化硅陶瓷。

作为对本发明石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法的改进：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵引发剂，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。

本发明石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法的技术优势为：

1)、引入了自润滑性能优越的石墨粉后，含碳的碳化硅密封环的干摩擦性能明显得到改善，表面光滑度显著提高。

2)、采用水基料浆和凝胶注模技术，使得碳化硅陶瓷形状可以设计，对于模具要求低，尺寸保留程度高。

3)、采用了双分散剂的料浆配方，使得料浆的整体分散性能和流动性能更加优异，提高了注模的效率，降低了注模的难度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

下述石墨粉均为200～800目。

实施例1、石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。

1)、将有机单体和交联剂按35：3的比例加入到去离子水中，并加入石墨粉质量1.5％的分散剂ⅠPVP，搅拌至混合均匀，配制成有机单体含量为20％的预混液；

即(有机单体)÷(有机单体+交联剂+分散剂Ⅰ+去离子水)＝20％(重量比)。

向预混液中加入石墨粉，搅拌20分钟，再加入石墨粉质量0.6％的分散剂ⅡTMAH，搅拌20分钟，配制成水基石墨粉料浆，使得石墨粉占水基石墨粉料浆总料浆质量的55％；

即(石墨粉)÷(石墨粉+预混液+分散剂Ⅱ)＝55％(重量比)。

2)、对上述水基石墨粉料浆加入为水基石墨浆料0.5wt％的引发剂，搅拌5s后(此时引发剂刚好完全溶解)，将料浆注入到一定形状的模具中，在常温下进行有机单体的交联固化反应，料浆形成具有一定弹性的湿胚；

3)、并注入玻璃材质的模具中，在60℃干燥24小时，获得有一定强度和弹性的素胚；

4)、将上述素胚和硅片以质量比1:1放在真空反应烧结炉中，升温至1530℃，保温2小时；烧结结束，得规定形状尺寸的含碳的碳化硅陶瓷部件，且具有足够的强度。

实施例2、石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。

1)、将有机单体和交联剂按35：3的比例加入到去离子水中，并加入石墨粉质量1.5％的分散剂ⅠPVP，搅拌至混合均匀，配制成有机单体含量为20％的预混液；

即(有机单体)÷(有机单体+交联剂+分散剂Ⅰ+去离子水)＝20％(重量比)。

向预混液中加入石墨粉，搅拌20分钟，再加入石墨粉质量0.6％的分散剂ⅡTMAH，搅拌20分钟，配制成水基石墨粉料浆，使得石墨粉占水基石墨粉料浆总料浆质量50％；

即(石墨粉)÷(石墨粉+预混液+分散剂Ⅱ)＝50％(重量比)。

2)、对上述水基石墨粉料浆加入为水基石墨浆料0.5wt％的引发剂，搅拌5s后(此时引发剂刚好完全溶解)，将料浆注入到一定形状的模具中，在常温下进行有机单体的交联固化反应，料浆形成具有一定弹性的湿胚；

3)、并注入玻璃材质的模具中，在60℃干燥24小时，获得有一定强度和弹性的素胚；

4)、将上述素胚和硅片以质量比1:1放在真空反应烧结炉中，升温至1530℃，保温2小时；烧结结束，可以得到规定形状尺寸的含碳的碳化硅陶瓷部件，其强度较实施例1要低。

对比例1、石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。

1)、将有机单体和交联剂按35：3的比例加入到去离子水中，并加入石墨粉质量1.5％的分散剂ⅠPVP，搅拌至混合均匀，配制成有机单体含量为20％的预混液；

即(有机单体)÷(有机单体+交联剂+分散剂Ⅰ+去离子水)＝20％(重量比)。

向预混液中加入石墨粉，搅拌20分钟，再加入石墨粉质量0.6％的分散剂ⅡTMAH，搅拌20分钟，配制成水基石墨粉料浆，使得石墨粉占水基石墨粉料质量55％；

即(石墨粉)÷(石墨粉+预混液+分散剂Ⅱ)＝55％(重量比)。

2)、对上述水基石墨粉料浆加入为水基石墨浆料0.2wt％的引发剂，搅拌5s后(此时引发剂刚好完全溶解)，将料浆注入到一定形状的模具中，在常温下进行有机单体的交联固化反应，料浆形成具有一定弹性的湿胚；

3)、并注入玻璃材质的模具中，在60℃干燥24小时，无法得到预期形状的素胚。

对比例2、石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，包括以下步骤：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。

1)、将有机单体和交联剂按35：3的比例加入到去离子水中，并加入石墨粉质量1.5％的分散剂ⅠPVP，搅拌至混合均匀，配制成有机单体含量为10％的预混液；

即(有机单体)÷(有机单体+交联剂+分散剂Ⅰ+去离子水)＝10％(重量比)。

向预混液中加入石墨粉，搅拌20分钟，再加入石墨粉质量0.6％的分散剂ⅡTMAH，搅拌20分钟，配制成水基石墨粉料浆，使得石墨粉占水基石墨粉料浆质量55％；

即(石墨粉)÷(石墨粉+预混液+分散剂Ⅱ)＝55％(重量比)。

2)、对上述水基石墨粉料浆加入为水基石墨浆料0.5wt％的引发剂，搅拌5s后(此时引发剂刚好完全溶解)，将料浆注入到一定形状的模具中，在常温下进行有机单体的交联固化反应，料浆形成具有一定弹性的湿胚；

3)、并注入玻璃材质的模具中，在60℃干燥24小时，获得有一定强度和弹性的素胚；

4)、将上述素胚和硅片以质量比1:1放在真空反应烧结炉中，升温至1530℃，保温2小时；烧结结束，可以得到规定形状尺寸的含碳的碳化硅陶瓷部件，其强度较实施例2更低。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、首先将有机单体和交联剂按34～36:3的质量比例混合后溶解于去离子水中，然后加入石墨粉质量1.45～1.55％的分散剂Ⅰ，搅拌至混合均匀，使得有机单体质量浓度为19～21％；接着加入石墨粉后球磨19～21分钟；再加入石墨粉质量0.55～0.65％的分散剂Ⅱ，继续球磨19～21分钟，配置成石墨粉质量含量为40％～60％的水基石墨浆料；

2)、在水基石墨浆料中加入引发剂，引发剂为水基石墨浆料的0.3wt％～0.6wt％，搅拌3～10s后，立即注入到模具中，在10℃～30℃下进行有机单体的交联固化反应，从而形成湿胚；

3)、将湿胚连同模具共同于55～65℃下干燥23～25小时，得到素胚；

4)、将上述素胚和硅片依次堆叠放置于真空反应烧结炉中，素胚和硅片质量比为1:1.0～1.1，升温至1500～1560℃保温1～10小时，炉冷至190～210℃出炉，得到碳化硅陶瓷。

2.根据权利要求1所述的石墨凝胶注模制备形状各异碳化硅部件的方法，其特征在于：

有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’—亚甲基双丙烯酰胺，分散剂Ⅰ为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散剂Ⅱ为四甲基氢氧化铵，引发剂为过硫酸铵引发剂，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺。