CN109627009B - 一种SiC陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SiC陶瓷及其制备方法，该SiC陶瓷，按重量份计，由75‑85份SiC和15‑25份烧结助剂热压烧结而成；所述烧结助剂包括10‑16.7份Mg2Si和5‑8.3份Al。本发明通过在SiC中加入烧结助剂Mg2Si、Al制备SiC陶瓷，降低了本发明SiC陶瓷的烧结温度，并提高了其致密度、相对密度和力学性能，其中，本发明SiC陶瓷的烧结温度可低至1350℃，致密度可高达99.3％，体积密度可高达3.03g/cm3，维氏硬度可高达1655MPa，抗弯强度可高达592MPa，弹性模量可高达204GPa。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域，特别涉及一种SiC陶瓷及其制备方法。
背景技术
SiC陶瓷具有高硬度、耐高温性、耐磨损性和抗热震性等优点，使其在结构工程中得到广泛的应用，特别是其独特的高温力学性能使之特别适宜于制造高温熔炉部件、火箭燃烧室内衬及燃气涡轮机叶片。
SiC由于强共价键(Si-C键)、烧结致密化所需的体积扩散和晶界扩散速度较小，纯SiC烧结陶瓷很难致密，从而限制其应用。目前，一般通过设计烧结助剂体系的组成和控制烧结条件等来实现致密化，但仍然存在烧结温度高，致密化程度低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种SiC陶瓷及其制备方法，以解决现有SiC陶瓷烧结温度高、致密化程度低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种SiC陶瓷，按重量份计，由75-85份SiC和15-25份烧结助剂热压烧结而成；所述烧结助剂包括10-16.7份Mg2Si和5-8.3份Al。
可选地，所述的SiC陶瓷，按重量份计，由75份SiC和25份烧结助剂热压烧结而成；所述烧结助剂包括16.7份Mg2Si和8.3份Al。
可选地，所述SiC的粒径为0.3-0.5μm；所述烧结助剂的粒径为2-5μm。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述SiC陶瓷的方法，其包括以下步骤：
1)向所述SiC和所述烧结助剂中加入无水乙醇，球磨，得到粉料A；
2)将所述粉料A烘干并进行筛分处理，得到粉料B；
3)将所述粉料B成型后，热压烧结，即得SiC陶瓷。
可选地，所述步骤1)中所述无水乙醇的用量为所述SiC和所述烧结助剂总量的90％-150％。
可选地，所述步骤1)中所述球磨的球磨时间为1-4h。
可选地，所述步骤2)中所述筛分处理的筛孔尺寸为100目。
可选地，所述步骤3)中所述热压烧结的液相烧结温度为1350-1550℃，烧结压力为30-50MPa，烧结保温时间为3-5min。
相对于现有技术，本发明所述的SiC陶瓷具有以下优势：
1、本发明通过在SiC中加入烧结助剂Mg2Si、Al制备SiC陶瓷，因Mg2Si在高温下有一定程度的分解，产生的Mg与SiC表面的氧化膜反应，可去除SiC表面的氧化膜，进而有利于提高SiC烧结时的扩散速率，且高温熔融的Mg2Si液和Al液可以润湿SiC颗粒，在外加压力作用下能够加快SiC颗粒迁移，使得颗粒重新排列，并在界面张力的作用下将颗粒紧紧拉在一起，增强坯件收缩，从而有利于降低本发明SiC陶瓷的烧结温度，并提高其致密度、相对密度和力学性能，其中，本发明SiC陶瓷的烧结温度可低至1350℃，致密度可高达99.3％，体积密度可高达3.03g/cm3，维氏硬度可高达1655MPa，抗弯强度可高达592MPa，弹性模量可高达204GPa。
2、本发明SiC陶瓷的制备方法简单，热压烧结条件温和，易于工业化应用。
具体实施方式
Mg2Si的熔点为1102℃，其在高温下有一定程度的分解，产生的Mg可与SiC表面的氧化膜反应，进而可去除SiC表面的氧化膜，从而有利于提高SiC烧结时的扩散速率；Al的熔点低(660℃)、沸点高(2500℃)，Al在低温时可与SiC反应，生成Al4C3，在高于1600K后，又可被Si还原，生成Al和SiC。Al的加入不会造成SiC的分解，又可与SiC相互作用提高界面结合。本发明基于此，以Mg2Si作为主烧结助剂，以Al作为辅助烧结助剂实现低温条件下高致密化SiC陶瓷的制备。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种SiC陶瓷，按重量份计，由75份SiC和25份烧结助剂热压烧结而成；烧结助剂包括16.7份Mg2Si和8.3份Al，其中，SiC的粒径为0.3-0.5μm，烧结助剂的粒径为2-5μm，且作为烧结助剂的Mg2Si和Al的粒径均为2-5μm，各原料在该粒径范围内可减少或避免团聚现象的发生，从而避免其对SiC陶瓷的烧结产生不利影响。
上述SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将SiC和烧结助剂按上述比例称取并放入球磨罐中，然后，加入用量为SiC和烧结助剂总量的110％的无水乙醇，球磨4h，得到粉料A；
2)用鼓风干燥箱将粉料A烘干并用筛孔尺寸为100目的筛进行筛分处理，得到粉料B(筛下粉料)；
3)将粉料B放入石墨模具成型后，热压烧结，其中，热压烧结的液相烧结温度为1350℃，烧结压力为40MPa，烧结保温时间为5min，即得SiC陶瓷。
实施例2
一种SiC陶瓷，按重量份计，由80份SiC和20份烧结助剂热压烧结而成；烧结助剂包括13.3份Mg2Si和6.7份Al，其中，SiC的粒径为0.3-0.5μm，烧结助剂的粒径为2-5μm，且作为烧结助剂的Mg2Si和Al的粒径均为2-5μm，各原料在该粒径范围内可减少或避免团聚现象的发生，从而避免其对SiC陶瓷的烧结产生不利影响。
上述SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将SiC和烧结助剂按上述比例称取并放入球磨罐中，然后，加入用量为SiC和烧结助剂总量的110％的无水乙醇，球磨4h，得到粉料A；
2)用鼓风干燥箱将粉料A烘干并用筛孔尺寸为100目的筛进行筛分处理，得到粉料B(筛下粉料)；
3)将粉料B放入石墨模具成型后，热压烧结，其中，热压烧结的液相烧结温度为1350℃，烧结压力为40MPa，烧结保温时间为5min，即得SiC陶瓷。
实施例3
一种SiC陶瓷，按重量份计，由85份SiC和15份烧结助剂热压烧结而成；烧结助剂包括10份Mg2Si和5份Al，其中，SiC的粒径为0.3-0.5μm，烧结助剂的粒径为2-5μm，且作为烧结助剂的Mg2Si和Al的粒径均为2-5μm，各原料在该粒径范围内可减少或避免团聚现象的发生，从而避免其对SiC陶瓷的烧结产生不利影响。
上述SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将SiC和烧结助剂按上述比例称取并放入球磨罐中，然后，加入用量为SiC和烧结助剂总量的110％的无水乙醇，球磨4h，得到粉料A；
2)用鼓风干燥箱将粉料A烘干并用筛孔尺寸为100目的筛进行筛分处理，得到粉料B(筛下粉料)；
3)将粉料B放入石墨模具成型后，热压烧结，其中，热压烧结的液相烧结温度为1550℃，烧结压力为40MPa，烧结保温时间为5min，即得SiC陶瓷。
对实施例1～实施例3的SiC陶瓷的性能进行测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，实施例1～实施例3的SiC陶瓷的体积密度、致密度以及力学性能均较高，说明本发明通过在SiC中添加烧结助剂Mg2Si和Al可以实现低温烧结高致密化SiC陶瓷产品，且所得SiC陶瓷产品足以在较高强度工况下使用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种SiC陶瓷，其特征在于，按重量份计，由75-85份SiC和15-25份烧结助剂热压烧结而成；所述烧结助剂包括10-16.7份Mg2Si和5-8.3份Al；
所述SiC陶瓷通过以下方法制得：
1)向所述SiC和所述烧结助剂中加入无水乙醇，球磨，得到粉料A；
2)将所述粉料A烘干并进行筛分处理，得到粉料B；
3)将所述粉料B成型后，热压烧结，即得SiC陶瓷；所述热压烧结的烧结工艺参数为：液相烧结温度：1350-1550℃，烧结压力：30-50MPa，烧结保温时间：3-5min。
2.根据权利要求1所述的SiC陶瓷，其特征在于，按重量份计，由75份SiC和25份烧结助剂热压烧结而成；所述烧结助剂包括16.7份Mg2Si和8.3份Al。
3.根据权利要求1或2所述的SiC陶瓷，其特征在于，所述SiC的粒径为0.3-0.5μm；所述烧结助剂的粒径为2-5μm。
4.制备权利要求1或2或3所述的SiC陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)向所述SiC和所述烧结助剂中加入无水乙醇，球磨，得到粉料A；
2)将所述粉料A烘干并进行筛分处理，得到粉料B；
3)将所述粉料B成型后，热压烧结，即得SiC陶瓷。
5.根据权利要求4所述的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述无水乙醇的用量为所述SiC和所述烧结助剂总量的90％-150％。
6.根据权利要求4所述的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述球磨的球磨时间为1-4h。
7.根据权利要求4所述的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述筛分处理的筛孔尺寸为100目。
8.根据权利要求4所述的SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中所述热压烧结的液相烧结温度为1350-1550℃，烧结压力为30-50MPa，烧结保温时间为3-5min。
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