CN114853479A - 一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其中用于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的涂料组合物，其包括难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水，按质量百分比计，所述难熔金属碳化物超细粉末占45～50％，所述分散剂占1～4％，所述粘结剂占3～6％，所述水占40～50％；所述难熔金属碳化物超细粉末包括WC、TaC、ZrC、HfC、NbC、SiC中的一种或多种，平均粒度1～5微米。本发明用涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板，降低了残留硅与陶瓷基体的结合力，大大降低反应烧结过后碳化硅或碳化硼陶瓷板表面残留硅的清理难度，显著降低了劳动强度，提高碳化硅或碳化硼陶瓷表观质量和合格品率。

Description

一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，具体是制备一种分散性好且具有一定粘结性的碳化物陶瓷粉末涂料以及使用这种涂料使基于反应烧结碳化硅或者碳化硼陶瓷板的后续处理简单方便的方法。

背景技术

碳化硅或碳化硼陶瓷具有密度小、硬度高等优异性能，特别适合应用于新一代的复合装甲。相对于热压烧结或者无压烧结工艺，采用反应烧结工艺制备碳化硅或碳化硼陶瓷可以显著降低烧结温度、提高陶瓷产品的尺寸精度。但是，反应烧结采用的熔渗硅会残留在碳化硅或碳化硼陶瓷板的表面，且与陶瓷板基体结合牢固。通常的后处理方法是采用机械磨削或者碱洗清除的方法，前者的劳动强度高、工作环境粉尘浓度大，且容易导致陶瓷板震裂，后者需要将陶瓷板浸泡于高温碱水中处理，不但劳动环境恶劣，且处理过程对环境污染严重，现在已基本被淘汰。

针对反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的实际需求，设计一种能有效去除反应烧结过程中陶瓷板表面的残留硅，对于改善劳动环境、减少环境污染，提高陶瓷表观质量和合格品率具有重要意义。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有技术的不足之处，提供一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：制备一种分散性好且具有一定粘结性的高熔点、惰性的碳化物粉末涂料；在用于反应烧结的碳化硅或碳化硼陶瓷压坯表面均匀涂覆一层所述碳化物粉末涂料；将所述陶瓷压坯(包括碳化物粉末涂料)脱胶处理后，在粉末涂料外侧表面上放置反应烧结所需的硅粒或硅饼，最后按照常规的反应烧结工艺，在真空烧结炉中进行熔渗硅反应烧结。反应烧结结束后，将留在陶瓷板表面的残留硅与粉末涂料一起清除。

本发明采用的碳化物粉末涂料为高熔点的金属碳化物细粉，与熔融硅的润湿性良好，有助于硅熔体熔渗进碳化硅或碳化硼坯体中，反应烧结过程充分，保证反应烧结质量；所述碳化物粉末涂料在烧结温度区间不会与碳化硅或者碳化硼发生扩散烧结反应，有助于烧结后从碳化硅或碳化硼陶瓷表面去除；较细的粉末粒度有利于粉末浆料均匀稳定分散，有利于均匀涂覆于陶瓷压坯表面。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：用于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的涂料组合物，其包括难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水，按质量百分比计，所述难熔金属碳化物超细粉末占45～50％，所述分散剂占1～4％，所述粘结剂占3～6％，所述水占40～50％；所述难熔金属碳化物超细粉末包括WC、TaC、ZrC、HfC、NbC、SiC中的一种或多种，平均粒度1～5微米。

优选的，所述分散剂是聚乙二醇或裂解后残碳量小的化学物质；所述粘结剂是聚乙烯醇或易溶解于水且裂解后残碳量小的化学物质。

本发明还提供以一种用涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其包括以下步骤，

步骤1，球磨难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水，获得碳化物陶瓷粉末涂料；

步骤2，将步骤1得到的粉末涂料均匀涂覆在预先成形好的碳化硅压坯表面；

步骤3，将步骤2得到的碳化硅压坯在网带炉中进行脱胶处理；

步骤4，在脱胶后的碳化硅陶瓷板表面及四周放置反应烧结所需的硅粒，进行反应烧结；

步骤5，反应烧结结束，取出碳化硅陶瓷板，清除陶瓷板表面的粉末涂料及在粉末涂料表面的残留硅。

优选的，步骤1中，难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水的质量比为(45-46):(3-4):(5-6):(44-47)。

优选的，步骤1中，球磨时间为3h；步骤3中脱胶工艺温度为900℃。

优选的，步骤2中，厚度为0.5-1mm。

优选的，步骤4中反应烧结，烧结温度为1650℃，烧结保温时间为2小时。

本发明的有益效果如下：

本发明采用的基于涂料的反应烧结工艺，由于残留硅与陶瓷基体的结合力很弱，避免了反应烧结碳化硅或碳化硼的后处理过程中通常采用的机械打磨清除表面残留硅的方法，大大降低反应烧结过后碳化硅或碳化硼陶瓷板表面残留硅的清理难度，无需采用机械打磨或者碱洗的清除方法，避免了机械打磨过程中可能出现的陶瓷损伤及碱洗过程引起的环境污染，显著降低了劳动强度，提高了生产效率，且有利于改善工作环境，提高碳化硅或碳化硼陶瓷表观质量和合格品率。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。

实施例1；

一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其具体的制备方法如下：

步骤1，将平均粒度为2微米的碳化钨粉末、平均分子量为200的聚乙二醇、平均分子量为20000的聚乙烯醇和去离子水按照45:3:5:47的质量比在球磨罐中球磨3h混合，得到一种分散性好且具有一定粘结性的碳化物陶瓷粉末涂料；所述粉末涂料成分配比主要考虑粉末料浆的分散性和粘结性，以得到均匀涂覆在碳化硅陶瓷压坯表面的效果，并与后者有较好的粘结强度。涂料层目测厚度均匀、并且不会在陶瓷压坯搬运过程中流失。水含量过多，粉末涂料的固体含量低，则粉末涂料涂覆后，在后续的脱胶过程中，难以完全覆盖在陶瓷压坯表面，难以得到完全的隔绝效果；水含量过少，则难以得到分散性良好的涂料，操作性差，且难以得到厚度较为均匀的涂覆层；在水中添加适量的分散剂有助于提高碳化物粉末在水中的分散性；而适量的粘结剂则保证了粉末涂料在涂覆及脱胶后能牢固地附着在碳化硅陶瓷表面。

步骤2，将步骤1得到的粉末涂料均匀涂覆在预先成形好的碳化硅压坯表面，厚度为0.5毫米左右；

步骤3，将步骤2得到的碳化硅压坯在网带炉中进行脱胶处理，脱胶工艺温度为900℃；脱胶工艺为碳化硅陶瓷反应烧结的常规工序，其工艺参数的确定是为了能将碳化硅陶瓷混合粉末中的成形剂(本实施例采用酚醛树脂)在进入真空烧结炉之前完全脱除，以减少成形剂高温裂解产物对真空系统的不良影响。

步骤4，在脱胶后的碳化硅陶瓷板表面及四周放置反应烧结所需的硅粒，按照常规的反应烧结工艺，在真空烧结炉中进行反应烧结，烧结温度为1650℃，烧结保温时间为2小时；

步骤5，反应烧结结束，取出碳化硅陶瓷板，用适当工具清除陶瓷板表面的粉末涂料及在粉末涂料表面的残留硅。由于粉末涂料与碳化硅陶瓷没有产生烧结反应，仍然保持原有的状态；残留硅被涂料隔绝，两者没有与碳化硅陶瓷表面直接结合在一起，采用铲子等适当工具容易将两者从碳化硅陶瓷表面清除干净。

大量试验结果表明，采用上述工艺制备的反应烧结碳化硅陶瓷的典型力学性能如下：弯曲强度(GB/T 6569-2006)320～350MPa；维氏硬度(GB/T16534-2009)22～24GPa。产品破损率小于1％。破损率是处理过程中破损样本占总样本的比例。

对比例1：

步骤1，采用与实施例1相同的压制工艺得到的碳化硅压坯；

步骤2，将所述碳化硅压坯在900℃进行脱胶处理；

步骤3，在脱胶后的碳化硅压坯表面放置反应烧结所需的硅粒，在真空烧结炉中进行反应烧结，烧结温度为1650℃，烧结保温时间为2小时；

步骤4，反应烧结结束，碳化硅板的部分表面附着一层坚硬的残留硅，两者之间结合牢固。采用手持砂轮小心将碳化硅板表面的残留硅磨削去除干净。由于残留硅与碳化硅陶瓷板表面结合牢固，且陶瓷脆性较大，在砂轮磨削过程中将有部分碳化硅陶瓷板因为受到振动力的影响而产生破损。

大量试验结果表明，采用上述工艺制备的反应烧结碳化硅陶瓷的典型力学性能如下：弯曲强度(GB/T 6569-2006)320～350MPa；维氏硬度(GB/T 16534-2009)22～24GPa。产品在磨削过程中的破损率达到5％～8％以上。

实施例2；

一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其具体的制备方法如下：

步骤1，将平均粒度为2.5微米的碳化锆粉末、平均分子量为200的聚乙二醇、平均分子量为20000的聚乙烯醇和去离子水按照46:4:6:44的质量比在球磨罐中球磨3h混合，得到一种分散性好且具有一定粘结性的碳化物陶瓷粉末涂料；所述粉末涂料成分配比主要考虑粉末料浆的分散性和粘结性以得到均匀涂覆在碳化硼陶瓷压坯表面的效果，并与后者有较好的粘结强度。涂料层目测厚度均匀、并且不会在陶瓷压坯搬运过程中流失。水含量过多，粉末涂料的固体含量低，则粉末涂料涂覆后，在后续的脱胶过程中，难以完全覆盖在陶瓷压坯表面，难以得到完全的隔绝效果；水含量过少，则难以得到分散性良好的涂料，操作性差，且难以得到厚度较为均匀的涂覆层；在水中添加适量的分散剂有助于提高碳化物粉末在水中的分散性；而适量的粘结剂则保证了粉末涂料在涂覆及脱胶后能牢固地附着在碳化硼陶瓷表面。

步骤2，将步骤1得到的粉末涂料均匀涂覆在碳化硼压坯表面，厚度为0.8毫米左右；

步骤3，将步骤2得到的碳化硼压坯在网带炉中进行脱胶处理，脱胶工艺温度为900℃；脱胶工艺为碳化硼陶瓷反应烧结的常规工序，其工艺参数的确定是为了能将碳化硼陶瓷混合粉末中的成形剂(本实施例采用酚醛树脂)在进入真空烧结炉之前完全脱除，以减少成形剂高温裂解产物对真空系统的不良影响。

步骤4，在碳化硼陶瓷板表面及四周放置反应烧结所需的硅饼，按照常规的反应烧结工艺，在真空烧结炉中进行反应烧结，烧结温度为1580℃，保温时间为2小时；

步骤5，反应烧结结束，取出碳化硼陶瓷板，用适当工具清除陶瓷板表面的粉末涂料及在粉末涂料表面的残留硅。由于粉末涂料与碳化硼陶瓷没有产生烧结反应，仍然保持原有的状态；残留硅被涂料隔绝，没有与碳化硼陶瓷表面直接结合在一起，仍然保持原有的状态，残留硅和涂料与陶瓷没有产生结合，采用铲子等适当工具容易将两者从碳化硼陶瓷表面清除干净。

大量试验结果表明，采用上述工艺制备的反应烧结碳化硼陶瓷的典型力学性能如下：弯曲强度(GB/T 6569-2006)320～360MPa；维氏硬度(GB/T16534-2009)29～31GPa。产品破损率小于1％。

对比例2

步骤1，采用与实施例2相同的压制工艺得到的碳化硼压坯；

步骤2，将所述碳化硼压坯在900℃进行脱胶处理；

步骤3，在脱胶后的碳化硼压坯表面放置反应烧结所需的硅粒，在真空烧结炉中进行反应烧结，烧结温度为1580℃，烧结保温时间为2小时；

步骤4，反应烧结结束，碳化硼板的部分表面附着一层坚硬的残留硅，两者之间结合牢固。采用手持砂轮小心将碳化硼板表面的残留硅磨削去除干净。由于残留硅与碳化硼陶瓷板表面结合牢固，且陶瓷脆性较大，在砂轮磨削过程中将有部分碳化硼陶瓷板因为受到振动力的影响产生破损。

大量试验结果表明，采用上述工艺制备的反应烧结碳化硼陶瓷的典型力学性能如下：弯曲强度(GB/T 6569-2006)320～360MPa；维氏硬度(GB/T 16534-2009)29～31GPa。产品在磨削过程中的破损率达到12％以上,因为残留硅在陶瓷表面结合强度高，所以需要打磨的工序。

本发明涉及一种基于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，涉及结构陶瓷领域。通过制备一种分散性好且具有一定粘结性的高熔点、惰性的碳化物粉末涂料；在用于反应烧结的碳化硅或碳化硼陶瓷压坯表面均匀涂覆一层所述碳化物粉末涂料；将所述陶瓷压坯(包括碳化物粉末涂料)脱胶处理后，在粉末涂料外侧表面上放置反应烧结所需的硅粒或硅饼，最后按照常规的反应烧结工艺，在真空烧结炉中进行熔渗硅反应烧结。反应烧结结束后，将留在陶瓷板表面的残留硅与粉末涂料一起清除。本发明技术改变了残留硅在陶瓷烧结过程中的结合状态，避免紧密结合的情况发生，省去了反应烧结常规后续处理工序中通常采用的机械打磨或者化学清洗等工序，显著降低了劳动强度，提高了生产效率，且有利于改善工作环境，提高陶瓷表观质量和合格品率。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.用于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的涂料组合物，其特征在于：包括难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水，按质量百分比计，所述难熔金属碳化物超细粉末占45～50％，所述分散剂占1～4％，所述粘结剂占3～6％，所述水占40～50％；

所述难熔金属碳化物超细粉末包括WC、TaC、ZrC、HfC、NbC、SiC中的一种或多种，平均粒度1～5微米。

2.如权利要求1所述的用于反应烧结制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的涂料组合物，其特征在于：所述分散剂是聚乙二醇或裂解后残碳量小的化学物质；所述粘结剂是聚乙烯醇或易溶解于水且裂解后残碳量小的化学物质。

3.用权利要求1所述的涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，球磨难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水，获得碳化物陶瓷粉末涂料；

步骤2，将步骤1得到的粉末涂料均匀涂覆在预先成形好的碳化硅压坯表面；

步骤3，将步骤2得到的碳化硅压坯在在网带炉中进行脱胶处理；

步骤4，在脱胶后的碳化硅陶瓷板周围放置反应烧结所需的硅粒，进行反应烧结；

步骤5，反应烧结结束，取出碳化硅陶瓷板，清除陶瓷板表面的粉末涂料及在粉末涂料表面的残留硅。

4.如权利要求3所述的涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：步骤1中，难熔金属碳化物超细粉末、分散剂、粘结剂和水的质量比为(45-46):(3-4):(5-6):(44-47)。

5.如权利要求3所述的涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：步骤1中，球磨时间为3h；步骤3中脱胶工艺温度为900℃。

6.如权利要求3所述的涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：步骤2中，厚度为0.5-1mm。

7.如权利要求3所述的涂料组合物制备碳化硅或碳化硼陶瓷板的方法，其特征在于：步骤4中反应烧结，烧结温度为1650℃，烧结保温时间为2小时。