CN109400167B - 一种具有致密连接层的SiC陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非氧化物陶瓷连接技术领域，公开了一种具有致密连接层的SiC陶瓷及其制备方法和应用，该陶瓷是将连接材料聚碳硅烷和硅粉，加入溶剂和球磨介质混合，干燥后得到混合粉体；再将混合粉体与无水乙醇混合，经超声分散制备得到浆料，将浆料均匀涂抹于连接母材SiC陶瓷表面，在真空或者氮气下，先升温至1000～1300℃并保温Ⅰ；然后在氮气下升温至1400～1500℃并保温Ⅱ进行连接制得。通过往聚碳硅烷加入硅粉作为填料，在连接过程中利用硅粉氮化体积膨胀的优势弥补前驱体连接体积収缩的缺陷，实现了SiC陶瓷的连接，最终获得具有致密连接层的SiC连接件，SiC陶瓷的连接层的漏率为0～1×10‑5Pa·L/s。

Description

一种具有致密连接层的SiC陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于非氧化物陶瓷连接技术领域，更具体地，涉及一种具有致密连接层的SiC陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
Si3N4、SiC、AlN等非氧化物陶瓷一般都具有耐高温、高硬度、抗磨损、耐腐蚀、高温强度高等优良特性，是汽车、机械、冶金和宇航等部门开发新技术的关键材料。此外，一些非氧化物陶瓷除用作结构陶瓷之外，在真空电子器件上也有独特的优势，例如：掺BeO的SiC，其导热系数高于纯铝，电阻率接近于Al2O3，是IC基片的良好材料；这些性能是一般氧化物陶瓷所不能比拟的。因而近些年非氧化物陶瓷的研究、开发和应用发展很快。
然而，由于陶瓷材料的脆性和冲击韧度低，耐热冲击能力弱，因而其加工性能差，制造尺寸大而形状复杂的零件较为困难，因此需要通过陶瓷之间的连接技术来制取形状复杂的零部件。目前应用前景较好的连接方式有前驱体连接，但是，前驱体连接存在体积収缩，连接件易形成孔洞以及需要更高温度的后续热处理等缺陷，目前主要解决办法是加入活性或者惰性填料来减少体积收缩。然而，活性填料将极大影响连接头的高温性能，惰性填料的加入则不利于连接层的致密化。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种具有致密连接层的SiC陶瓷。
本发明的另一目的在于提供上述具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法。该方法通过往前驱体中加入硅粉，前驱体裂解后继续在氮气气氛下将硅粉氮化，硅粉氮化的体积膨胀刚好可以填补前驱体的体积収缩，防止连接层产生气孔，并且，硅粉氮化放出大量的热量，可极大地降低后续热处理温度。
本发明的再一目的在于提供上述具有致密连接层的SiC陶瓷的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种具有致密连接层的SiC陶瓷，是将连接材料聚碳硅烷和硅粉，加入溶剂和球磨介质混合，干燥后得到混合粉体；再将混合粉体与溶剂混合，经超声分散制备得到浆料，将浆料均匀涂抹于连接母材SiC陶瓷表面，在真空或者氮气下，先升温至1000～1300℃并保温Ⅰ；然后在氮气下升温至1400～1500℃并保温Ⅱ进行连接制得。
优选地，所述SiC陶瓷的连接层厚度为1～20μm，室温下剪切强度为40～100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为50～120MPa，所述SiC陶瓷的连接层的漏率为0～1×10-5Pa·L/s。
优选地，所述SiC陶瓷的纯度为99～100％，所述SiC陶瓷的致密度为99.9～100％；所述硅粉的纯度为99.9～100％，所述硅粉的粒径为10～100nm。
优选地，所述混合的时间为4～18h。
优选地，所述聚碳硅烷：硅粉的质量比为(85～99)：(25～1)。
更为优选地，所述的聚碳硅烷：硅粉的质量比为4：1。
优选地，所述的超声的时间为10～30min；所述溶剂为无水乙醇或丙酮；所述球磨介质为Si3N4球或SiC球。
优选地，所述升温至1000～1300℃的速率为5～20℃/min，所述升温至1400～1500℃的速率为5～10℃/min，所述保温Ⅰ的时间为1～30min，所述保温Ⅱ的时间为1～4h。
所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将连接材料聚碳硅烷和硅粉，加入溶剂和球磨介质混合，干燥后得到混合粉体；
S2.将混合粉体与溶剂混合，经超声分散制备得到浆料，将浆料均匀涂抹于连接母材SiC陶瓷表面，在真空或者氮气下，先升温至1000～1300℃并保温Ⅰ；然后在氮气下升温至1400～1500℃并保温Ⅱ进行连接，得到具有致密连接层的SiC陶瓷。
所述的具有致密连接层的SiC陶瓷在航空航天的热交换器或太空反射镜领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过往聚碳硅烷加入硅粉作为填料，在连接过程中利用硅粉氮化体积膨胀的优势弥补前驱体连接体积収缩的缺陷，实现了SiC陶瓷的连接。通过往前驱体中加入硅粉，前驱体裂解后继续在氮气气氛下将硅粉氮化，硅粉氮化的体积膨胀刚好可以填补前驱体的体积收缩，防止连接层产生气孔，并且，硅粉氮化放出大量的热量，可极大地降低后续热处理温度。其中，硅粉氮化阶段属于放热反应，可为第二步热处理提供热量，减少外加热量的需求。
2.本发明利用硅粉氮化的体积膨胀，解决了陶瓷之间前驱体连接时体积收缩问题，连接过程无需加压就可实现SiC陶瓷的连接；
3.本发明的SiC陶瓷的连接层没有引入氧化物添加剂，连接层具有优良的高温性能。
附图说明
图1为实施例1中聚碳硅烷前驱体的热重-差热分析图。
图2为实施例1中聚碳硅烷前驱体中加入硅粉填料后连接件的截面SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.制备：
(1)以SiC陶瓷为连接母材，以聚碳硅烷和硅粉(粒径50nm)为连接材料，如图1所述为聚碳硅烷前驱体热重-差热图，从图1中可知，聚碳硅烷前驱体的产率为65％，并且到800℃后质量基本无变化，表示此时基本上裂解完全；按聚碳硅烷与硅粉的质量比为4：1，以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在行星球磨机上混合8h，干燥后，得到混合均匀的混合粉体；
(2)将混合粉体与无水乙醇混合经超声分散10min后制备得到浆料，将浆料均匀涂抹于SiC陶瓷表面，将连接样品在真空下先以15℃/min升温到1200℃保温10min；继续在氮气气氛下，以5℃/min升温至1450℃保温2h，制得具有致密连接层的SiC陶瓷。
2.性能测试：图2为在聚碳硅烷前驱体中加入硅粉填料后连接件的截面SEM照片，从图2中可知，SiC陶瓷的连接层的厚度为5μm，且连接层没有气孔，实现SiC陶瓷材料的致密连接；对连接好样品进行常温和1200℃高温剪切强度测试，以及气密性检测。本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，连接层厚度为5μm，室温下剪切强度为80MPa，在1200℃高温下的剪切强度为100MPa，SiC陶瓷的连接层的漏率为1×10-7Pa·L/s。
实施例2
1.制备：将聚碳硅烷与硅粉按质量比为17：3进行配料，硅粉粒径为10nm，聚碳硅烷产率为70％，按照实施例1方法实现SiC陶瓷的连接，其中首先在真空下升温至1000℃保温30min；然后在氮气气氛下升温至1450℃保温4h，制得具有致密连接层的SiC陶瓷。
2.性能测试：本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，连接层厚度为20μm，室温下剪切强度为100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为120MPa，SiC陶瓷的连接层的漏率为1×10-8Pa·L/s。
实施例3
1.制备：将聚碳硅烷与硅粉按质量比为19：1进行配料，硅粉粒径为10nm，聚碳硅烷产率为90％，按照实施例1方法实现SiC陶瓷的连接，其中首先在真空下升温至1100℃保温30min；然后在氮气气氛下升温至1400℃保温1h，制得具有致密连接层的SiC陶瓷。
2.性能测试：本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，连接层厚度为20μm，室温下剪切强度为100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为120MPa，SiC陶瓷的连接层的漏率为1×10-8Pa·L/s。
实施例4
1.制备：将聚碳硅烷与硅粉按质量比为9：1进行配料，硅粉粒径为80nm，聚碳硅烷产率为80％，按照实施例1方法实现SiC陶瓷的连接，其中首先在真空下升温至1300℃保温10min；然后在氮气气氛下升温至1400℃保温1h，制得具有致密连接层的SiC陶瓷。
2.性能测试：本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，连接层厚度为15μm，室温下剪切强度为90MPa，在1200℃高温下的剪切强度为110MPa，SiC陶瓷的连接层的漏率为1×10-7Pa·L/s。
实施例5
1.制备：将聚碳硅烷与硅粉按质量比为3：2进行配料，硅粉粒径为10nm，聚碳硅烷产率为60％，按照实施例1方法实现SiC陶瓷的连接，其中首先在真空下升温至1300℃保温30min；然后在氮气气氛下升温至1400℃保温2h，制得具有致密连接层的SiC陶瓷。
2.性能测试：本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，连接层厚度为20μm，室温下剪切强度为60MPa，在1200℃高温下的剪切强度为70MPa，SiC陶瓷的连接层的漏率为1×10- 6Pa·L/s。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将连接材料聚碳硅烷和硅粉，加入溶剂和球磨介质混合，干燥后得到混合粉体；所述聚碳硅烷：硅粉的质量比为(85～99)：(1～25)；
S2.将混合粉体与无水乙醇混合，经超声分散制备得到浆料，将浆料均匀涂抹于连接母材SiC陶瓷表面，在氮气下，先升温至1000～1300℃并保温Ⅰ；然后在氮气下升温至1400～1500℃并保温Ⅱ进行连接，得到具有致密连接层的SiC陶瓷；所述SiC陶瓷的连接层厚度为1～20μm，室温下剪切强度为40～100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为50～120MPa，所述SiC陶瓷的连接层的漏率为0～1×10-5Pa·L/s；所述SiC陶瓷的纯度为99～100％，所述SiC陶瓷的致密度为99.9～100％。
2.根据权利要求1所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述硅粉的纯度为99.9～100％，所述硅粉的粒径为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述混合的时间为4～18h。
4.根据权利要求1所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的聚碳硅烷：硅粉的质量比为4：1。
5.根据权利要求1所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的超声的时间为10～30min；所述溶剂为乙醇或丙酮；所述球磨介质为Si3N4球或SiC球。
6.根据权利要求1所述的具有致密连接层的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述升温至1000～1300℃的速率为5～20℃/min，所述升温至1400～1500℃的速率为5～10℃/min，所述保温Ⅰ的时间为1～30min，所述保温Ⅱ的时间为1～4h。
7.一种具有致密连接层的SiC陶瓷，其特征在于，所述SiC陶瓷是由权利要求1-6任一项所述的方法制备得到。
8.权利要求7所述的具有致密连接层的SiC陶瓷在航空航天的热交换器或太空反射镜领域中的应用。
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