CN115838290B - 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents
一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115838290B CN115838290B CN202310133308.2A CN202310133308A CN115838290B CN 115838290 B CN115838290 B CN 115838290B CN 202310133308 A CN202310133308 A CN 202310133308A CN 115838290 B CN115838290 B CN 115838290B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon carbide
- powder
- slurry
- heating
- parts
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 115
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 112
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 238000005245 sintering Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 141
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 40
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 235000015895 biscuits Nutrition 0.000 claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 20
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims abstract description 10
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 8
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 41
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 32
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 25
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims description 18
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 17
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 13
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 13
- 239000001814 pectin Substances 0.000 claims description 11
- 235000010987 pectin Nutrition 0.000 claims description 11
- 229920001277 pectin Polymers 0.000 claims description 11
- 238000005469 granulation Methods 0.000 claims description 9
- 230000003179 granulation Effects 0.000 claims description 9
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 8
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 6
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 22
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 5
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 4
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 3
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical group CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Natural products CCCCCCCC(C)CCCCCCCCC(O)=O OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本申请涉及陶瓷技术领域，具体公开了一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法。所述碳化硅陶瓷由素坯依次经过加热脱胶和无压液相烧结后得到，所述素坯由造粒粉体压制而成，所述造粒粉体由浆料经过离心喷雾造粒后得到，所述浆料的组分包括去离子水，所述浆料中除了去离子水外还包括如下重量份的组分：碳化硅原粉100份，烧结助剂3‑5份，聚乙烯醇0.5‑1.5份，四甲基氢氧化铵0.5‑1.5份，尿素0.5‑1.5份，脱模剂0.5‑1份；所述烧结助剂为含有氧化钇粉体和氧化铝粉体的水分散液。本申请减少了陶瓷产品出现表面过烧和内部欠烧的可能，提高了烧结成功率，减少了对碳化硅原粉的浪费。
Description
技术领域
本申请涉及陶瓷技术领域，更具体地说，它涉及一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法。
背景技术
碳化硅陶瓷是近几十年发展起来的新型结构陶瓷材料，在结构陶瓷中占有重要的地位，并凭借其优良的综合性能应用于各个工业领域。碳化硅陶瓷。目前，国内外已对碳化硅材料进行了多方面的研究，并取得了丰硕的研究成果。 所采用碳化硅陶瓷的制备方法主要有常压烧结、反应烧结及热压烧结等。其中，常压烧结分为液相烧结和固相烧结两类，相对固相烧结而言，液相烧结法制备碳化硅陶瓷能够在更低的烧结温度下实现。
目前，相关技术中的液相烧结工艺均需要埋粉工艺，埋粉指的是采用含有烧结助剂的粉体将烧结产品完全覆盖掩埋，这样做的目的是在烧结过程中产生足够的液相，并且也改善了液相挥发的问题，对提高碳化硅陶瓷的致密度具有一定的作用。
针对上述中的相关技术，发明人认为，相关技术中的埋粉工艺虽然能够在一定程度上提高碳化硅陶瓷的致密度，但是在埋粉工艺中，埋料主要与陶瓷坯体的表面作用，难以进入陶瓷坯体内部，容易出现陶瓷产品表面过烧而内部欠烧的情况，造成碳化硅原粉的浪费，同时也导致陶瓷产品的致密度难以进一步提高，不利于提升碳化硅陶瓷的产品质量。
发明内容
相关技术中，对于大尺寸的陶瓷产品而言，埋料主要与陶瓷坯体的表面作用，难以进入陶瓷坯体内部，容易出现陶瓷产品表面过烧而内部欠烧的情况。不仅会导致陶瓷产品的致密度难以进一步提高，也容易造成碳化硅原粉的浪费。为了改善这一缺陷，本申请提供一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种无压液相烧结碳化硅陶瓷，采用如下的技术方案：
一种无压液相烧结碳化硅陶瓷，所述碳化硅陶瓷由素坯依次经过加热脱胶和无压液相烧结后得到，所述素坯由造粒粉体压制而成，所述造粒粉体由浆料经过离心喷雾造粒后得到，所述浆料的组分包括去离子水，所述浆料中除了去离子水外还包括如下重量份的组分：碳化硅原粉100份，烧结助剂3-5份，聚乙烯醇0.5-1.5份，四甲基氢氧化铵0.5-1.5份，尿素0.5-1.5份，脱模剂0.5-1份；所述烧结助剂为含有氧化钇粉体和氧化铝粉体的水分散液。
通过采用上述技术方案，本申请改良了现有的液相烧结碳化硅陶瓷，将烧结助剂添加到了浆料中，浆料经过离心喷雾造粒后，烧结助剂中的氧化铝粉体和氧化钇粉体均匀分散到造粒粉体中。造粒粉体在储存氧化铝粉体和氧化钇粉体的同时，减少了氧化铝粉体和氧化钇粉体的团聚，而当造粒粉体被压制为素坯后，氧化铝粉体和氧化钇粉体也随着造粒粉体在素坯中均匀分散。在烧结过程中，氧化铝粉体和氧化钇粉体转化为共熔液相，促进了陶瓷产品内部的传质过程和颗粒的重排，改善了烧结效果，提高了碳化硅陶瓷的致密度。对于大体积陶瓷产品而言，由于本申请的烧结助剂分布在整个素坯中，因此烧结助剂中的氧化铝粉体和氧化钇粉体能够在内部充分生效，也减少了烧结助剂在产品表面的聚集，减少了陶瓷产品出现表面过烧和内部欠烧的可能。采用本申请的配方能够在不进行埋粉的前提下实现更高的致密度，并且与埋粉相比也显著节约了烧结助剂的用量，而且还避免了埋粉工艺中烧结助剂粉体粘附到产品表面的问题，有助于改善碳化硅陶瓷的产品质量。
作为优选，所述浆料中除了去离子水外还包括如下重量份的组分：碳化硅原粉100份，烧结助剂3.5-4.5份，聚乙烯醇0.7-1.3份，四甲基氢氧化铵0.7-1.3份，尿素0.7-1.3份，脱模剂0.6-0.9份。
通过采用上述技术方案，本申请优选了氧化铝粉体和氧化钇粉体的粒径和用量，有助于使氧化铝粉体和氧化钇粉体产生的共熔液相在烧结过程中均匀分布，有利于提高碳化硅陶瓷的致密度。
作为优选，所述碳化硅原粉的平均粒径为0.5-2μm。
通过采用上述技术方案，本申请优选了碳化硅原粉的中位粒径，有利于改善碳化硅原粉对氧化铝粉体和氧化钇粉体的包覆效果，提高了氧化铝粉体和氧化钇粉体分散的均匀度，增加了碳化硅陶瓷的致密度。
作为优选，所述造粒粉体的平均粒径为30-150μm。
通过采用上述技术方案，本申请优选了造粒粉体的中位粒径为30-150μm，有助于改善素坯的内部结构，增加了碳化硅陶瓷的致密度。
作为优选，所述碳化硅原粉按照如下方法制备：
（1）将葡萄糖、硅源和果胶溶液混合，得到前驱液；本步骤中，硅源包括石英砂和硅溶胶；
（2）在120-140℃将前驱液烘干，然后在640-680℃的氮气气氛中对烘干剩余物进行加热炭化，得到前驱体；
（3）在1200-1500℃的条件下将前驱体保温110-130min，得到碳化硅粗品，使用氢氟酸洗涤碳化硅粗品，再在600-700℃灼烧1.5-2.5h，灼烧剩余物经过粉碎后得到碳化硅原粉。
通过采用上述技术方案，本申请以葡萄糖和果胶溶液中的果胶为碳源，将碳源与硅源混合得到前驱液，然后烘干前驱液中的水分，在烘干过程中硅溶胶中的二氧化硅微粒会与石英砂表面结合，增加了石英砂的表面积。经过在氮气氛围中的炭化，果胶和葡萄糖的炭化产物与石英砂表面充分接触，得到了含有碳单质与硅源的前驱体。前驱体在1200-1500℃经过保温后，硅源中的二氧化硅和碳单质反应产生碳化硅，未反应的二氧化硅则被氢氟酸洗去，剩余的残碳经过灼烧除去，即可得到碳化硅原粉。
作为优选，所述硅源中的石英砂的粒径为0.075-0.15mm。
通过采用上述技术方案，优选了石英砂的粒径，有助于减少石英砂颗粒的团聚，同时也有助于石英砂与炭化产物的充分接触，提高了原料的利用率，有利于提高碳化硅原粉的产量。
作为优选，所述硅源的组分还包括球形二氧化硅微粉。
通过采用上述技术方案，球形二氧化硅微粉的掺入能够使硅源中的颗粒与碳单质接触的面积增大，提高了原料的利用率，有利于提高碳化硅原粉的产量。
作为优选，所述硅源还包括多孔石英粉体。
通过采用上述技术方案，多孔石英粉体的多孔结构能够容纳葡萄糖和果胶炭化后产生的碳单质，使得碳单质更容易接触到位于颗粒内部的二氧化硅，提高了原料的利用率，有利于提高碳化硅原粉的产量。
第二方面，本申请提供一种无压液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，采用如下的技术方案。
一种无压液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氧化铝、氧化钇和去离子水混合，经过搅拌和水浴加热后得到烧结助剂；
（2）将去离子水、烧结助剂、聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵、尿素混合后以100-500rpm的速率球磨5-24h，然后再加入碳化硅原粉继续球磨12-24h，然后再加入脱模剂继续球磨1.5-2.5h，得到浆料；若浆料的粘度在1000-2000cp之间，则停止球磨，若浆料的粘度大于2000cp,则加入去离子水继续球磨直到浆料的粘度达到1000-2000cp；
（3）将浆料过80-120目筛网滤去结块，然后进行离心喷雾造粒，得到平均粒径为30-150μm的造粒粉体；
（4）将造粒粉体用150Mpa的压强初步压制成型，然后再以150-200MPa的压强进行湿式等静压成型压片，得到素坯；
（5）将素坯放置于压强20-50pa的条件下，以2-3℃/min的速率升温至440-460℃，然后保温25-35min，再以0.8-1.2℃/min的速率升温至780-820℃，然后保温25-35min，再以2.8-3.2℃/min的速率升温至880-920℃，继续保温8-12min后等待素坯自然冷却至20-30℃；
（6）将冷却后的素坯放置在压强20-100pa的炉腔中，然后以5-10℃的速率升温至1500-1550℃，然后向炉腔中充入氩气至压强为0.05-0.055MPa，再以1-1.5℃/min的速率进行升温，升温的同时降压排除氩气，直到将温度提升至1600-1950℃，然后保温50-70min，接着等待炉腔降温至20-50℃，得到无压液相烧结碳化硅陶瓷。
通过采用上述技术方案，本申请的方法放弃了传统的埋粉工艺，通过在浆料中添加烧结助剂实现了碳化硅陶瓷的制备，不仅克服了大尺寸碳化硅陶瓷产品在埋粉工艺中容易出现内部欠烧的问题，提高了产品的致密度，而且缓解了碳化硅陶瓷产品表面过烧的程度，提高了碳化硅陶瓷产品的质量，减小了对碳化硅原粉的浪费。另外，本申请的方法与埋粉法相比，对烧结助剂的消耗量也显著减少，有助于降低碳化硅陶瓷的生产成本。
作为优选，在制备所述无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，按照如下方法降压排除氩气：在1550-1650℃将压强从0.05MPa降至0.03MPa，在1650℃-1600℃将压强从0.03MPa降至0.02MPa。
通过采用上述技术方案，本申请优选了降压排除氩气的温度区间与降压方式，有助于抑制产品表面液相的挥发，平衡了产品内部的液相氛围，增加了碳化硅陶瓷产品的致密度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请在在浆体中添加了烧结助剂，烧结助剂中的氧化铝粉体和氧化钇粉体能够在素坯内部发挥助烧效果，促进了陶瓷产品内部的传质过程和颗粒的重排，改善了烧结效果，提高了碳化硅陶瓷产品的致密度。按照本申请的配方进行碳化硅陶瓷的制备能够减少陶瓷产品出现表面过烧和内部欠烧的可能，提高了烧结成功率，减少了对碳化硅原粉的浪费。
2、本申请中优选硅源还包括多孔石英粉体，多孔石英粉体的多孔结构能够容纳葡萄糖和果胶的炭化产物，使得碳单质更容易接触到位于颗粒内部的二氧化硅，提高了原料的利用率。
3、本申请的方法放弃了传统的埋粉工艺，克服了大尺寸碳化硅陶瓷产品在埋粉工艺中容易出现内部欠烧的问题，提高了产品的致密度，而且缓解了碳化硅陶瓷产品表面过烧的程度，提高了碳化硅陶瓷产品的质量，减小了对碳化硅原粉的浪费。
具体实施方式
以下结合实施例、制备例和对比例对本申请作进一步详细说明，本申请涉及的原料均可通过市售获得。
碳化硅原粉的制备例
以下以制备例1为例说明。
制备例1
本制备例中，硅源由石英砂与硅溶胶按照5:1的重量比混合而成；硅源中的石英砂的粒径为0.075-0.15mm，由粒径1.18-4.75的石英砂经过球磨和筛分后，再截取0.075mm和0.15mm之间的颗粒后得到；硅溶胶的含水率为80%；果胶溶液中果胶的质量分数为2%，葡萄糖与果胶溶液的重量比为1:8；
本制备例中，碳化硅原粉按照以下方法制备：
（1）将葡萄糖、硅源和果胶溶液混合，得到前驱液；本步骤中，前驱液的碳硅比为1:4；
（2）在130℃将前驱液烘干，然后在670℃的氮气气氛中对烘干剩余物进行加热炭化，得到前驱体；
（3）在1450℃的条件下将前驱体保温125min，得到碳化硅粗品，使用氢氟酸洗涤碳化硅粗品，再在680℃灼烧2h，灼烧的剩余物经过粉碎后得到平均粒径0.4μm的碳化硅原粉。
如表1，制备例1-5的不同之处在于碳化硅原粉的平均粒径不同。
表1
制备例6
本制备例与制备例3的不同之处在于，硅源中的石英砂粒径为0.3-0.6mm。
制备例7
本制备例与制备例3的不同之处在于，硅源中的石英砂粒径为0.03-0.06mm。
制备例8
本制备例与制备例3的不同之处在于，将制备例3的硅源中20%重量的石英砂替换为平均粒径2μm的球形二氧化硅微粉。
制备例9
本制备例与制备例3的不同之处在于，将制备例3的硅源中20%重量的石英砂替换为多孔石英粉体，多孔石英粉体的平均粒径为2μm，孔隙率为80%。
实施例1-5
以下以实施例1为例进行说明。
实施例1
本实施例中，无压液相烧结碳化硅陶瓷按照以下步骤制备：
（1）按照每100kg去离子水混合3kg中位粒径50μm的氧化铝粉体、3kg中位粒径10μm的氧化铝粉体、1kg中位粒径1μm的氧化钇粉体的比例，将去离子水、氧化铝粉体和氧化钇粉体加入罐磨机中，按照80r/min的转速搅拌150min，然后将得到的水分散液转移到入水浴锅中加热到95℃，继续搅拌90min，得到烧结助剂；
（2）在100kg去离子水的基础上扣除烧结助剂的含水量，然后按照得到的用水量将去离子水、3kg烧结助剂、0.5kg聚乙烯醇、0.5kg四甲基氢氧化铵、0.5kg尿素混合后加入到卧式球磨机中，并将10mm,20mm,50mm的碳化硅球磨球按1:1.2:1.5的质量比加入，料球比为1:1.2；以400rpm的速率球磨18h，然后再加入100kg制备例1的碳化硅原粉继续球磨16h，然后再加入0.5kg脱模剂继续球磨2h，得到浆料；若浆料的粘度在1000-2000cp之间，则停止球磨，若浆料的粘度大于2000cp,则加入去离子水继续球磨直到浆料的粘度达到1000-2000cp；本步骤中，在球磨的同时开启球磨桶冷却循环水，控制物料温度为25±5℃，脱模剂为硬脂酸；
（3）将浆料过120目筛网滤去结块，然后以5rpm的转速搅拌，再进行离心喷雾造粒，得到平均粒径为160μm的造粒粉体；本步骤中，离心转盘转速为20000rpm，造粒进口温度为230℃，出口温度100℃，造粒粉体的含水率0.8%，流动性3.9S，松装密度0.9g/cm3,粉体休止角 31°，粉体形貌保持95%以上球形或类球形状态；
（4）将造粒粉体用150Mpa的压强初步压制成型，然后再以160MPa的压强进行湿式等静压成型压片，得到素坯；
（5）将素坯放置于压强30pa的条件下，以2℃/min的速率升温至450℃，然后保温30min，再以1℃/min的速率升温至800℃，然后保温30min，再以3℃/min的速率升温至900℃，继续保温10min后等待素坯自然冷却至20℃；
（6）将冷却后的素坯放置在压强50pa的炉腔中，然后以8℃的速率升温至1550℃，然后向炉腔中充入氩气至压强为0.5MPa，再以1.2℃/min的速率进行升温，升温的同时降压排除氩气，直到将温度提升至最高烧结温度，然后保温60min，接着等待炉腔降温至25℃，得到无压液相烧结碳化硅陶瓷；本步骤中，最高烧结温度为1950℃，在炉腔内的温度从1550℃上升至1650℃的过程中，炉腔内的压强从0.05MPa下降至0.02 MPa。
如表2,实施例1-5的不同之处主要在于，步骤（2）中浆料的原料配比不同。
表2
实施例6-9
如表3，实施例6-9与实施例3的不同之处在于，碳化硅原粉的制备例不同。
表3 碳化硅原粉的制备例
实施例10-13
如表4，实施例10-13与实施例3的不同之处在于，造粒粉体的平均粒径不同。
表4 造粒粉体的平均粒径
本实施例与实施例3的不同之处在于，在制备无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，最高烧结温度为1900℃。
实施例15
本实施例与实施例3的不同之处在于，在制备无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，最高烧结温度为1850℃。
实施例16
本实施例与实施例3的不同之处在于，在制备无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，最高烧结温度为1800℃。
实施例17
本实施例与实施例3的不同之处在于，在制备无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，按照如下方法降压排除氩气：在1550-1650℃将压强从0.05MPa降至0.03MPa，在1650℃-1800℃将压强从0.03MPa降至0.02MPa。
对比例
对比例1
本对比例提供一种无压液相烧结碳化硅陶瓷，按照以下步骤制备：
（1）将100kg去离子水、0.5kg聚乙烯醇、0.5kg四甲基氢氧化铵、0.5kg尿素混合后加入到卧式球磨机中，并将10mm,20mm,50mm的碳化硅球磨球按质量比1:1.2:1.5加入，料球比为1:1.2；以400rpm的速率球磨18h，然后再加入100kg制备例1的碳化硅原粉继续球磨16h，然后再加入0.5kg脱模剂继续球磨2h，得到浆料；若浆料的粘度在1000-2000cp之间，则停止球磨，若浆料的粘度大于2000cp,则加入去离子水继续球磨直到浆料的粘度达到1000-2000cp；本步骤中，在球磨的同时开启球磨桶冷却循环水，控制物料温度为25±5℃，脱模剂为硬脂酸；
（2）将浆料过120目筛网滤去结块，然后以5rpm的转速搅拌，再进行离心喷雾造粒，得到平均粒径为160μm的造粒粉体；本步骤中，离心转盘转速为20000rpm，造粒进口温度为230℃，出口温度100℃，造粒粉体的含水率0.8%，流动性3.9S，松装密度0.9g/cm3,粉体休止角 31°，粉体形貌保持95%以上球形或类球形状态；
（3）将造粒粉体用150Mpa的压强初步压制成型，然后再以160MPa的压强进行湿式等静压成型压片，得到素坯；
（4）将素坯放置于压强30pa的条件下，以2℃/min的速率升温至450℃，然后保温30min，再以1℃/min的速率升温至800℃，然后保温30min，再以3℃/min的速率升温至900℃，继续保温10min后等待素坯自然冷却至20℃；
（5）将冷却后的素坯放置在压强50pa的炉腔中，并使用埋料将素坯掩埋，然后以8℃的速率升温至1550℃，然后向炉腔中充入氩气至压强为0.5MPa，再以1.2℃/min的速率进行升温，升温的同时降压排除氩气，直到将温度提升至1950℃，然后保温60min，接着等待炉腔降温至25℃，得到无压液相烧结碳化硅陶瓷；本步骤中，埋料由中位粒径50μm的氧化铝粉体、中位粒径10μm的氧化铝粉体、中位粒径1μm的氧化钇粉体按照3:3:1的比例混合而成；在炉腔内的温度从1550℃上升至1650℃的过程中，炉腔内的压强从0.05MPa下降至0.02 MPa。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，浆料中烧结助剂的含量为1kg
对比例3
本对比例与实施例5的不同之处在于，浆料中烧结助剂的含量为6kg
对比例4
本对比例与实施例3的不同之处在于，浆料中的组分不包括烧结助剂。
对比例5
本对比例与实施例3的不同之处在于，烧结助剂的组分不包括氧化铝粉体。
对比例6
本对比例与实施例3的不同之处在于，烧结助剂的组分不包括氧化钇粉体。
性能检测试验方法
一、相对密度的检测
按照上述的制备方法制备300mm×300mm×300mm的立方体碳化硅陶瓷试件，先根据试件的体积和质量计算出体积密度，然后再按照下式计算试样的理论密度：
式中，wa、wb、wc分别为试样中碳化硅、氧化铝、氧化钇的质量分数，ρa、ρb、ρc分别为碳化硅、氧化铝和氧化钇的理论密度。对于对比例1，氧化铝和氧化钇的质量分数根据埋料在烧结前后的质量之差和剩余的埋粉中氧化铝与氧化钇的质量比得出。
计算试样的体积密度与理论密度的比值，结果即为相对密度，结果见表5。
表5
二、相对损耗率检测
按照制备例3和制备例6-9进行碳化硅原粉的制备，并记录步骤（3）中碳化硅粗品的质量m1和灼烧后得到的碳化硅原粉的质量m2，根据下式计算失重率：
计算各制备例的失重率与制备例3的失重率的比值R（代表原料的相对损耗率），结果见表6。
表6
结合实施例1-5和对比例1并结合表5可以看出，实施例1-5测得的相对密度均大于对比例1，说明因此烧结助剂中的氧化铝粉体和氧化钇粉体能够在素坯内部充分生效，减少了陶瓷产品内部欠烧的可能，在不进行埋粉的前提下实现了更高的致密度。
结合实施例1-5和对比例2-3并结合表5可以看出，随着烧结助剂用量的提升，碳化硅陶瓷的致密度也有所提高。其中，对比例2的致密度明显低于实施例1-5，而对比例3测得的致密度和实施例5相同，可见烧结助剂在实施例1-5的范围内应用时效果较好。
结合实施例3和对比例4-6并结合表5可以看出，实施例3测得的相对密度大于对比例4-6，说明氧化钇粉体和氧化铝粉体需要共同使用才能充分提高碳化硅陶瓷的致密度。
结合实施例3、实施例6-9并结合表5可以看出，平均粒径为0.5-2μm的碳化硅原粉更有助于提高碳化硅陶瓷的致密度。
结合实施例3、实施例10-13并结合表5可以看出，平均粒径为30-150μm的造粒粉体更有助于提高碳化硅陶瓷的致密度。
结合实施例3、实施例14-16并结合表5可以看出,在1800-1950℃的范围内，1800℃得到的碳化硅陶瓷致密度最高。在1800℃以上，随着温度的升高，碳化硅陶瓷的致密度会出现下降。
结合实施例3、实施例17并结合表5可以看出，实施例17测得的致密度大于实施例3，说明实施例17的降压方式有助于抑制产品表面液相的挥发，平衡了产品内部的液相氛围，从而增加了碳化硅陶瓷产品的致密度。
结合制备例3、制备例6-7并结合表6可以看出，制备例3测得的R值大于制备例6和制备例7，说明当硅源中的石英砂的粒径为0.075-0.15mm时，二氧化硅与碳单质的接触相对充分，减少了原料的损耗率，增加了碳化硅原粉的产量，有助于弥补烧结失败对碳化硅原粉造成的浪费。
结合制备例3、制备例8-9并结合表6可以看出，制备例3测得的R值小于制备例8和制备例9，说明当硅源包括球形二氧化硅微粉和多孔石英粉体时，二氧化硅与碳单质的接触更加彻底，减少了原料的损耗率，增加了碳化硅原粉的产量，有助于弥补烧结失败对碳化硅原粉造成的浪费。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种无压液相烧结碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅陶瓷由素坯依次经过加热脱胶和无压液相烧结后得到，所述素坯由造粒粉体压制而成，所述造粒粉体由浆料经过离心喷雾造粒后得到，所述浆料的组分包括去离子水，所述浆料中除了去离子水外还包括如下重量份的组分：碳化硅原粉100份，烧结助剂3-5份，聚乙烯醇0.5-1.5份，四甲基氢氧化铵0.5-1.5份，尿素0.5-1.5份，脱模剂0.5-1份；所述烧结助剂为含有氧化钇粉体和氧化铝粉体的水分散液；所述碳化硅原粉的平均粒径为0.5-2μm；所述造粒粉体的平均粒径为30-150μm；
所述碳化硅原粉按照如下方法制备：
（1）将葡萄糖、硅源和果胶溶液混合，得到前驱液；本步骤中，硅源包括石英砂和硅溶胶；所述硅源中的石英砂的粒径为0.075-0.15mm；所述硅源的组分还包括球形二氧化硅微粉，所述球形二氧化硅微粉的平均粒径2μm；所述硅源还包括多孔石英粉体，所述多孔石英粉体的平均粒径2μm；
（2）在120-140℃将前驱液烘干，然后在640-680℃的氮气气氛中对烘干剩余物进行加热炭化，得到前驱体；
（3）在1200-1500℃的条件下将前驱体保温110-130min，得到碳化硅粗品，使用氢氟酸洗涤碳化硅粗品，再在600-700℃灼烧1.5-2.5h，灼烧剩余物经过粉碎后得到碳化硅原粉；
所述无压液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法包括以下步骤：
（1）将氧化铝、氧化钇和去离子水混合，经过搅拌和水浴加热后得到烧结助剂；
（2）将去离子水、烧结助剂、聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵、尿素混合后以100-500rpm的速率球磨5-24h，然后再加入碳化硅原粉继续球磨12-24h，然后再加入脱模剂继续球磨1.5-2.5h，得到浆料；若浆料的粘度在1000-2000cp之间，则停止球磨，若浆料的粘度大于2000cp,则加入去离子水继续球磨直到浆料的粘度达到1000-2000cp；
（3）将浆料过80-120目筛网滤去结块，然后进行离心喷雾造粒，得到平均粒径为30-150μm的造粒粉体；
（4）将造粒粉体用150Mpa的压强初步压制成型，然后再以150-200MPa的压强进行湿式等静压成型压片，得到素坯；
（5）将素坯放置于压强20-50pa的条件下，以2-3℃/min的速率升温至440-460℃，然后保温25-35min，再以0.8-1.2℃/min的速率升温至780-820℃，然后保温25-35min，再以2.8-3.2℃/min的速率升温至880-920℃，继续保温8-12min后等待素坯自然冷却至20-30℃；
（6）将冷却后的素坯放置在压强20-100pa的炉腔中，然后以5-10℃的速率升温至1500-1550℃，然后向炉腔中充入氩气至压强为0.05-0.055MPa，再以1-1.5℃/min的速率进行升温，升温的同时降压排除氩气，直到将温度提升至1600-1800℃，然后保温50-70min，接着等待炉腔降温至20-50℃，得到无压液相烧结碳化硅陶瓷。
2.根据权利要求1所述的无压液相烧结碳化硅陶瓷，其特征在于，所述浆料中除了去离子水外还包括如下重量份的组分：碳化硅原粉100份，烧结助剂3.5-4.5份，聚乙烯醇0.7-1.3份，四甲基氢氧化铵0.7-1.3份，尿素0.7-1.3份，脱模剂0.6-0.9份。
3.根据权利要求1-2任一所述的无压液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化铝、氧化钇和去离子水混合，经过搅拌和水浴加热后得到烧结助剂；
（2）将去离子水、烧结助剂、聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵、尿素混合后以100-500rpm的速率球磨5-24h，然后再加入碳化硅原粉继续球磨12-24h，然后再加入脱模剂继续球磨1.5-2.5h，得到浆料；若浆料的粘度在1000-2000cp之间，则停止球磨，若浆料的粘度大于2000cp,则加入去离子水继续球磨直到浆料的粘度达到1000-2000cp；
（3）将浆料过80-120目筛网滤去结块，然后进行离心喷雾造粒，得到平均粒径为30-150μm的造粒粉体；
（4）将造粒粉体用150Mpa的压强初步压制成型，然后再以150-200MPa的压强进行湿式等静压成型压片，得到素坯；
（5）将素坯放置于压强20-50pa的条件下，以2-3℃/min的速率升温至440-460℃，然后保温25-35min，再以0.8-1.2℃/min的速率升温至780-820℃，然后保温25-35min，再以2.8-3.2℃/min的速率升温至880-920℃，继续保温8-12min后等待素坯自然冷却至20-30℃；
（6）将冷却后的素坯放置在压强20-100pa的炉腔中，然后以5-10℃的速率升温至1500-1550℃，然后向炉腔中充入氩气至压强为0.05-0.055MPa，再以1-1.5℃/min的速率进行升温，升温的同时降压排除氩气，直到将温度提升至1600-1800℃，然后保温50-70min，接着等待炉腔降温至20-50℃，得到无压液相烧结碳化硅陶瓷。
4.根据权利要求3所述的无压液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，在制备所述无压液相烧结碳化硅陶瓷的步骤（6）中，按照如下方法降压排除氩气：在1550-1650℃将压强从0.05MPa降至0.03MPa，在1650℃-1800℃将压强从0.03MPa降至0.02MPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310133308.2A CN115838290B (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310133308.2A CN115838290B (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115838290A CN115838290A (zh) | 2023-03-24 |
| CN115838290B true CN115838290B (zh) | 2023-06-20 |
Family
ID=85579828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310133308.2A Active CN115838290B (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115838290B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116379783A (zh) * | 2023-04-08 | 2023-07-04 | 南通三责精密陶瓷有限公司 | 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷用载具 |
| CN116675538B (zh) * | 2023-05-30 | 2023-12-22 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解/液相烧结制备SiC陶瓷的方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100445235C (zh) * | 2006-12-30 | 2008-12-24 | 浙江大学 | 一种氮化铝增强碳化硅陶瓷及其制备方法 |
| CN106395787B (zh) * | 2016-06-23 | 2018-08-28 | 宁夏和兴碳基材料有限公司 | 一种基于稻壳制备多孔碳化硅材料的方法 |
| CN108203300B (zh) * | 2018-02-07 | 2021-09-17 | 陕西科谷新材料科技有限公司 | 一种高韧性、高电阻率碳化硅陶瓷的制备方法 |
| CN111704139A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-25 | 哈尔滨科友半导体产业装备与技术研究院有限公司 | 一种高纯碳化硅粉制备方法 |
-
2023
- 2023-02-20 CN CN202310133308.2A patent/CN115838290B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115838290A (zh) | 2023-03-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115838290B (zh) | 一种无压液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法 | |
| CN103467102B (zh) | 一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法 | |
| CN1290239A (zh) | 氧化锆基料的结构性材料的水法注模方法 | |
| CN112028637A (zh) | 一种航空轴承用高可靠性长寿命氮化硅陶瓷球的制备方法 | |
| CN112299861B (zh) | 一种AlON透明陶瓷伪烧结剂与应用及透明陶瓷的制备方法 | |
| CN111499387A (zh) | 高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN105778903B (zh) | 一种制备硅铝基氮化物或氮氧化物荧光粉体的方法 | |
| CN105315006A (zh) | 一种梯度多孔氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| CN113105252A (zh) | 一种制备氮化硅陶瓷的烧结助剂及其应用、氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| CN109415265B (zh) | 一种介质陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN110483080B (zh) | 一种碳化硅粉体及其制备方法 | |
| CN114249595B (zh) | 光学系统用碳化硅陶瓷材料、反光镜、制备方法及烧结助剂 | |
| CN113582699B (zh) | 一种低粘度、高固含量的陶瓷浆料及其制备方法 | |
| AU560598B2 (en) | Method of making a densified silicon nitride/oxynitride composite | |
| CN104230344A (zh) | 一种添加多元烧结助剂的AlN陶瓷低温烧结制备方法 | |
| CN108727019B (zh) | 锆英石砖及其制备方法 | |
| CN103693946B (zh) | 一种高热导率的含TiO2衰减瓷及其制备方法 | |
| CN102030535A (zh) | 氮化锆增强氧氮化铝复合陶瓷材料的制备方法 | |
| CN111875393B (zh) | 烧结助剂、钛酸铝陶瓷前体料和钛酸铝陶瓷及其制造方法 | |
| CN115321969A (zh) | 一种熔融石英陶瓷坩埚的制作方法 | |
| CN108558405A (zh) | 一种高致密度高纯度碳化硅衬底材料的制备方法 | |
| CN108285350A (zh) | 一种三元复合碳化硅质耐火材料及其制备方法 | |
| CN103539457A (zh) | 一种微电子封装用AlN陶瓷基板的制备方法 | |
| CN113526947A (zh) | 利用圭亚那矾土制备高纯均质矾土熟料的方法及其产品 | |
| CN111410540A (zh) | 一种定向孔结构多孔氮化硅陶瓷的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |