CN117756533A - 一种SiC半导体点火材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机点火材料制备技术领域，尤其涉及一种SiC半导体点火材料及其制备方法，按质量分数计包括以下原料组分：60％～80％SiC半导体复合粉末、0.05％～0.35％异丁烯马来酸酐共聚物、0.5％～2.5％分散剂、0.1％～0.5％消泡剂、15.65％～39.25％水和0.1％～1％pH值调节剂；所述SiC半导体复合粉末包括：4％～8％的Re₂Si₂O₇粉末、3％～6％的SiO₂粉末、1％～5％的Y₂O₃粉末、1％～3％的SrO粉末、40％～70％SiC粉末、15％～35％的Al₂O₃粉末和5％～20％的ZrO₂粉末，所述Re为稀土元素。该点火材料采用稀土硅酸盐化合物作为耐腐蚀相与其他粉末配合使用，使SiC半导体点火材料耐受温度高达1300℃以上，具有优异的高温稳定性、耐高温性能和抗热震性能。解决SiC半导体点火材料耐温性能差，无法满足航空发动机点火系统需求的问题。

Description

一种SiC半导体点火材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空发动机点火材料制备技术领域，具体为一种SiC半导体点火材料及其制备方法。

背景技术

发动机电嘴是航空发动机点火系统的点火元件，其借助脉冲电压击穿火花间隙而形成电火花，用以点燃燃烧室内的可燃混合气体。电点火系统，按产生放电形式可分为电感放电和电容放电，按输出电压高低可分为高压电感/电容、低压电感/电容四种，其中超过5kV的为高压系统、低于5kV的为低压系统。其中，电容火花放电具有高频震荡特性，火花十分明亮，并且有极短时间的持续性，火花能量集中在较小的气体容积内；电感火花放电持续时间的范围大，能量较小；且高压电容系统对线路的绝缘性能要求较高，增加点火系统工作的不可靠性。因此，要可靠地点燃混合油气，一般采用的是低压高能点火系统，即半导体表面放电点火系统。

航空发动机所使用的电嘴主要有火花电嘴、电蚀电嘴、沿面电嘴和半导体电嘴。半导体电嘴在发动机内工作需要具有以下性能：质量轻、体积小；性能不受气压及环境介质的影响、耐热冲击、耐火花腐蚀；具有良好的机械性能；在外加电压下，实现稳定点火，起始发火电压小于1000V。

SiC材料自身性能稳定，耐热冲击、耐火花腐蚀、机械性能好，具有负的温度系数和良好的热导率，以SiC作为主要成分制备的SiC半导体复合陶瓷具有高温性能稳定，发火电压低、火花能量大、耐热冲击、耐热腐蚀等优良性能，可作为航空发动机的点火电嘴应用。

但是，随着航空发动机的发展，燃烧室温度已上升至1500℃，这对应用在发动机内的材料提出了更高的耐温要求，点火电嘴放电端耐受温度也从原来的900℃增加到现在的1300℃。在高温条件下，传统点火电嘴材料会发生严重的热腐蚀、氧化及变形，严重限制点火电嘴的性能和寿命。

因此，急需一种耐高温、耐电腐蚀、抗热震和高可靠性的点火材料，来满足日益严苛的高温工作环境的需求，不仅是航空发动机点火系统制备技术领域中的研究重点，同时，也是电点火系统及相关研究领域的重要前沿方向。

发明内容

针对现有技术中存在的SiC半导体点火材料耐温性能差，无法满足航空发动机点火系统需求的问题，本发明提供一种SiC半导体点火材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供一种SiC半导体点火材料，按质量分数计包括以下原料组分：60％～80％的SiC半导体复合粉末、0.05％～0.35％的异丁烯马来酸酐共聚物、0.5％～2.5％的分散剂、0.1％～0.5％的消泡剂、15.65％～39.25％的水和0.1％～1％的pH值调节剂；

所述SiC半导体复合粉末按质量分数计包括：4％～8％的Re₂Si₂O₇粉末、3％～6％的SiO₂粉末、1％～5％的Y₂O₃粉末、1％～3％的SrO粉末、40％～70％SiC粉末、15％～35％的Al₂O₃粉末和5％～20％的ZrO₂粉末，所述Re为稀土元素。

优选地，所述分散剂为聚丙烯酸铵溶液，所述聚丙烯酸铵溶液的浓度为30wt％～50wt％。

优选地，所述消泡剂为正辛醇。

优选地，所述pH值调节剂为四甲基氢氧化铵溶液，所述四甲基氢氧化铵溶液的浓度为8wt％～12wt％。

本发明还提供一种如上述的SiC半导体点火材料的制备方法，包括以下步骤：

制备SiC半导体复合粉末；

将SiC半导体复合粉末与异丁烯马来酸酐共聚物、分散剂、消泡剂、水和pH值调节剂按比例混合均匀，真空除泡，得到混合浆料；

将混合浆料注入模具，固化成型，脱模，干燥，得到生坯；

将生坯进行排胶；

将排胶后的生坯进行高温烧结，得到SiC半导体点火材料。

进一步地，制备SiC半导体复合粉末的方法为：

将Re₂Si₂O₇粉末、SiO₂粉末、Y₂O₃粉末、SrO粉末、SiC粉末、Al₂O₃粉末和ZrO₂粉末按比例混合，得到混合粉料；

采用湿法球磨将混合粉料混合均匀，得到SiC半导体复合粉末；其中，磨球为玛瑙球，介质为无水乙醇，玛瑙球、混合粉料和无水乙醇的体积比为2:1:1。

优选地，所述真空除泡采用真空泵除气，除气时间为30～60min。

进一步地，固化成型后，脱模，室温条件下干燥24～48h，然后再置于60℃～80℃条件下干燥24～48h。

进一步地，将生坯进行排胶的方法为：

将生坯以1℃/min～2℃/min的升温速率，升温至650℃～750℃，保温2～4h，完成排胶过程。

进一步地，将排胶后的生坯进行高温烧结，得到SiC半导体点火材料的方法为：

将排胶后的生坯埋于体积比为1:1的SiC半导体复合粉末和BN粉体中，在真空度为3.6×10^-3Pa，氮气填充压力为0.2～0.8MPa的条件下，以≤5℃/min的升温速率升温至1600℃～1800℃，保温1～3h，得到SiC半导体点火材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种SiC半导体点火材料，该点火材料采用Re₂Si₂O₇稀土硅酸盐化合物作为耐腐蚀相与SiC粉末、Al₂O₃粉末和ZrO₂粉末配合使用，SiO₂粉末和Y₂O₃粉末作为烧结助剂，添加SrO可改善材料的电性能。其中，稀土硅酸盐化合物具有优异的高温稳定性，稀土硅酸盐化合物的添加可显著改善材料的耐高温性能和抗热震性能，使SiC半导体点火材料耐受温度高达1300℃以上；材料内部具有一定的球形闭气孔，可大幅提高点火材料的抗热冲击性能，防止因材料多次点火后开裂、变形或失效，提高点火材料的使用寿命。

本发明还提供一种如上述SiC半导体点火材料的制备方法，该方法通过制备SiC半导体复合粉末；将SiC半导体复合粉末与异丁烯马来酸酐共聚物、分散剂、消泡剂、水和pH值调节剂按比例混合均匀，真空除泡，得到混合浆料；将混合浆料注入模具，固化成型，脱模，干燥，得到生坯；将生坯进行排胶，高温烧结，实现SiC半导体点火材料的制备，制备方法简单，制备工艺简单且可控，生产成本低，可以连续化生产，且通过凝胶注模成型工艺可制备得到各种复杂形状的样品，为应对不同工作环境的提供了保障。

附图说明

图1为本发明的一种SiC半导体点火材料的制备方法流程示意图。

图2为本发明的一种SiC半导体点火材料的宏观形貌图。

图3为本发明的一种SiC半导体点火材料的微观形貌图。

图4为本发明的一种SiC半导体点火材料的XRD谱图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种SiC半导体点火材料，按质量分数计包括以下原料组分：60％～80％的SiC半导体复合粉末、0.05％～0.35％的异丁烯马来酸酐共聚物、0.5％～2.5％的分散剂、0.1％～0.5％的消泡剂、15.65％～39.25％的水和0.1％～1％的pH值调节剂；其中，所述分散剂为聚丙烯酸铵溶液，所述聚丙烯酸铵溶液的浓度为30wt％～50wt％；所述消泡剂为正辛醇；所述pH值调节剂为四甲基氢氧化铵溶液，所述四甲基氢氧化铵溶液的浓度为8wt％～12wt％；

所述SiC半导体复合粉末按质量分数计包括：4％～8％的Re₂Si₂O₇粉末、3％～6％的SiO₂粉末、1％～5％的Y₂O₃粉末、1％～3％的SrO粉末、40％～70％SiC粉末、15％～35％的Al₂O₃粉末和5％～20％的ZrO₂粉末，所述Re为稀土元素，优选地，Re为La、Lu、Y或Yb。

参见图1，本发明还提供一种如上述的SiC半导体点火材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备SiC半导体复合粉末，具体为：

将Re₂Si₂O₇粉末、SiO₂粉末、Y₂O₃粉末、SrO粉末、SiC粉末、Al₂O₃粉末和ZrO₂粉末按比例混合，得到混合粉料；

采用湿法球磨将混合粉料混合均匀，得到SiC半导体复合粉末；其中，磨球为玛瑙球，介质为无水乙醇、玛瑙球、混合粉料和无水乙醇的体积比为2:1:1。

S2：将SiC半导体复合粉末与异丁烯马来酸酐共聚物、分散剂、消泡剂、水和pH值调节剂按比例混合均匀，真空除泡，得到混合浆料，具体为：

将SiC半导体复合粉末与异丁烯马来酸酐共聚物、分散剂、消泡剂和水混合，然后加入pH值调节剂，将混合液的pH值调节至9～10，混合均匀，用真空泵除泡30～60min，得到混合浆料。

S3：将混合浆料注入模具，固化成型，脱模，干燥，得到生坯，具体为：

将混合浆料注入模具中，室温条件下固化成型，脱模，室温条件下干燥24～48h，然后再置于60℃～80℃条件下干燥24～48h，得到生坯。

S4：将生坯进行排胶，具体为：

将生坯以1℃/min～2℃/min的升温速率，升温至650℃～750℃，保温2～4h，完成排胶过程。

S5：将排胶后的生坯进行高温烧结，得到SiC半导体点火材料，具体为：

将排胶后的生坯埋于体积比为1:1的SiC半导体复合粉末和BN粉体中，在真空度为3.6×10^-3Pa，氮气填充压力为0.2～0.8MPa的条件下，以≤5℃/min的升温速率升温至1600℃～1800℃，保温1～3h，得到SiC半导体点火材料。

为进一步对本发明提供的SiC半导体点火材料及其制备方法进行说明，本发明提供实施例1-10，制备过程如下：

按比例将SiC半导体复合粉末、异丁烯马来酸酐共聚物、0.5％～2.5％的分散剂、消泡剂和水混合均匀，其中，分散剂聚丙烯酸铵溶液的浓度为40wt％；然后，加入pH值调节剂调节混合液pH值至10，pH值调节剂四甲基氢氧化铵溶液的浓度为10wt％，采用湿法球磨将体系混合均匀，搅拌，真空除泡，得到混合浆料，将混合浆料注入模具，室温固化成型，脱模，室温干燥，干燥箱干燥，得到生坯：将生坯以2℃/min升温至700℃，保温4h完成排胶过程；将排胶后的生坯置于石墨坩埚中，埋于体积比为1:1的SiC半导体复合粉末和BN粉体中，放入真空烧结炉中，抽真空至3.6×10^-3Pa，填充氩气，升温，烧结，得到SiC半导体点火材料。实施例1-10的按质量百分比计各个物料成分及反应条件见下表：

所述实施例1-10制备的SiC半导体点火材料的性能见下表：

可见，该点火电嘴的开气孔率为0.001～0.015，闭气孔率为0.058～0.105，抗弯强度为190～320MPa，体积密度为3.012～3.178g·cm^-1，常温绝缘电阻为31～60kΩ，点火电压为530～700V，1300℃回炉绝缘电阻为25～63kΩ。

参见图2，为实施例1制得的SiC点火材料1300℃回炉后的宏观形貌图。其直径为12.5mm，高度为3.0mm，密度为3.08g/cm³。该SiC点火材料优异的耐高温性能，在1300℃高温回炉后材料形状完整，表面无缺陷。

参见图3，为实施例4制得的SiC半导体点火材料的SEM图，黑色不规则颗粒为SiC晶粒，白色颗粒为ZrO₂，灰白色颗粒为稀土硅酸盐烧结助剂，可有效的把SiC晶粒结合在一起，形成致密烧结体。此外，有细小的Al₂O₃晶粒镶嵌在烧结助剂形成的玻璃相中。此外，材料内部存在8％～10％的闭气孔，可有效改善SiC半导体点火材料的抗热震性。

参见图4，为实施例6制得的SiC半导体点火材料的XRD谱图。从XRD谱图中可以看出，采用本发明方法制备的SiC半导体点火材料主要相为6H-SiC，α-Al₂O₃和ZrO₂，且无其他任何杂峰。

综上所述，本发明提供一种SiC半导体点火材料及其制备方法，该SiC半导体点火材料具有非常好的耐腐蚀，可在1300℃下正常工作，而不产生材料脱落，使用效能物任何影响，具有大的耐热冲击性能，可满足当前航空发动机点火系统制备技术领域中的研究需求，是当前航空发动机点火系统制备技术领域的先进性技术。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SiC半导体点火材料，其特征在于，按质量分数计包括以下原料组分：60％～80％的SiC半导体复合粉末、0.05％～0.35％的异丁烯马来酸酐共聚物、0.5％～2.5％的分散剂、0.1％～0.5％的消泡剂、15.65％～39.25％的水和0.1％～1％的pH值调节剂；

所述SiC半导体复合粉末按质量分数计包括：4％～8％的Re₂Si₂O₇粉末、3％～6％的SiO₂粉末、1％～5％的Y₂O₃粉末、1％～3％的SrO粉末、40％～70％SiC粉末、15％～35％的Al₂O₃粉末和5％～20％的ZrO₂粉末，所述Re为稀土元素。

2.根据权利要求1所述的SiC半导体点火材料，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸铵溶液，所述聚丙烯酸铵溶液的浓度为30wt％～50wt％。

3.根据权利要求1所述的SiC半导体点火材料，其特征在于，所述消泡剂为正辛醇。

4.根据权利要求1所述的SiC半导体点火材料，其特征在于，所述pH值调节剂为四甲基氢氧化铵溶液，所述四甲基氢氧化铵溶液的浓度为8wt％～12wt％。

5.如权利要求1-4任一项所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备SiC半导体复合粉末；

将SiC半导体复合粉末与异丁烯马来酸酐共聚物、分散剂、消泡剂、水和pH值调节剂按比例混合均匀，真空除泡，得到混合浆料；

将混合浆料注入模具，固化成型，脱模，干燥，得到生坯；

将生坯进行排胶；

将排胶后的生坯进行高温烧结，得到SiC半导体点火材料。

6.根据权利要求5所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，制备SiC半导体复合粉末的方法为：

将Re₂Si₂O₇粉末、SiO₂粉末、Y₂O₃粉末、SrO粉末、SiC粉末、Al₂O₃粉末和ZrO₂粉末按比例混合，得到混合粉料；

采用湿法球磨将混合粉料混合均匀，得到SiC半导体复合粉末；其中，磨球为玛瑙球，介质为无水乙醇，玛瑙球、混合粉料和无水乙醇的体积比为2:1:1。

7.根据权利要求5所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，所述真空除泡采用真空泵除气，除气时间为30～60min。

8.根据权利要求5所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，固化成型后，脱模，室温条件下干燥24～48h，然后再置于60℃～80℃条件下干燥24～48h。

9.根据权利要求5所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，将生坯进行排胶的方法为：

将生坯以1℃/min～2℃/min的升温速率，升温至650℃～750℃，保温2～4h，完成排胶过程。

10.根据权利要求5所述的SiC半导体点火材料的制备方法，其特征在于，将排胶后的生坯进行高温烧结，得到SiC半导体点火材料的方法为：

将排胶后的生坯埋于体积比为1:1的SiC半导体复合粉末和BN粉体中，在真空度为3.6×10^-3Pa，氮气填充压力为0.2～0.8MPa的条件下，以≤5℃/min的升温速率升温至1600℃～1800℃，保温1～3h，得到SiC半导体点火材料。