真空反應(yīng)燒結(jié)高韌性碳化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種真空反應(yīng)燒結(jié)高韌性碳化硅陶瓷的方法，更確切地說涉及一 種碳化硅晶須增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的生產(chǎn)方法。屬于精細陶瓷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅陶瓷具有比重小、硬度高、比強度高、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震性能良 好等特點，被廣泛用于各類工業(yè)爐中的燒嘴。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的碳化硅陶瓷主要采用反應(yīng) 燒結(jié)法制備，該燒結(jié)方法制得的碳化硅陶瓷硬度高、彈性模量大，但斷裂韌性較低，通常低 于3MPa·m1/2。為此，改善碳化硅陶瓷的韌性成為研究熱點。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN101104559的中國專利公開了一種碳 纖維增強增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，配料組分為碳化硅100重量份，炭黑7~ 18重量份，碳纖維2~8體積份，制備方法是將配料碳化硅和炭黑的復(fù)合粉體及碳纖維分 散于有機單體和交聯(lián)劑的溶液中，雖然碳纖維的加入明顯提高了碳化硅陶瓷的強度和斷裂 韌性。但該體系的不足之處是：碳纖維在使用過程中，耐高溫性能較差，增韌效果因而被弱 化。檢索中又發(fā)現(xiàn)，公開號為CN101747044A的中國專利公開了一種以中間相炭微球為炭源 的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷制備方法，首次采用中間相炭微球為炭源和10~40wt%碳化硅粉 為原料，制備的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷具有密度相對較低，強度高，殘硅量小等特點。但仍然 存在中間相炭微球使用過程中不耐高溫的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種真空反應(yīng)燒結(jié)高韌 性碳化硅陶瓷的方法，本發(fā)明旨在通過碳化硅晶須增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷，提高了材料 的斷裂韌性，進而拓寬反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0005] 用于高溫工業(yè)爐中的碳化硅晶須增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷，其特征在于：所述碳 化硅陶瓷原材料各質(zhì)量百分比含量為：粒度為45~75微米的碳化硅粉60~65%，粒度 為3~5微米的碳化硅粉15~20 %，粒度為3~5微米的金屬硅粉3~5 %，碳纖維4~ 6%，炭黑8~15%。外加上述干粉質(zhì)量1~1. 5%的木質(zhì)素磺酸鈣作結(jié)合劑。碳化硅粉純 度大于98. 5 %，金屬硅粉純度大于99. 3 %，炭黑純度大于99. 7 %。上述原料先將金屬硅粉 和碳纖維混合研磨，然后配成漿料，注漿成型，在低真空度下脫模、烘干，然后再在真空度小 于2Pa條件下先合成SiC晶須，然后1500-1900°C燒結(jié)，最終制得碳化硅陶瓷。
[0006] 上述的碳化硅陶瓷的具體制備步驟為：
[0007] (1)研磨：首先將3~5 %的金屬硅粉和4~6 %的碳纖維混合研磨。
[0008] (2)混合：再分別加入60~65 %的粒度為45~75微米的碳化硅粉，15~20 %的 粒度為3~5微米的碳化硅粉，8~15%的炭黑，在攪拌機中預(yù)混0. 5~1小時，外加上述 干粉質(zhì)量1~1. 5%的木質(zhì)素磺酸鈣和適量的水，攪拌6~10小時后，取出漿料。
[0009] (3)注漿成型：將上述漿料放入真空壓力罐中，經(jīng)真空處理后將漿料注入石膏模 具，真空度小于9KPa，6~10小時后開模，放入烘箱，50~70°C烘20~24小時。
[0010] (4)燒成：首先將上述烘干后的坯體放入石墨干堝中，埋入粒度為3~5毫米的金 屬硅，所埋的金屬硅純度大于98%。在真空爐中，真空度小于2Pa，升溫到1350~1400°C， 保溫2~3小時，在坯體中碳纖維和硅粉反應(yīng)合成碳化硅晶須。再升溫到1550~1900°C， 保溫2~4小時后隨爐降溫。
[0011] 本發(fā)明涉及的碳化硅晶須增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料陶瓷體系，可在較寬的范圍內(nèi) 調(diào)整其斷裂韌性，使斷裂韌性提高到5~5. 6MPa·πι1/2。相對于普通SiC-B-C或SiC-A/N無 壓燒結(jié)制品的Κκ = 3. 0~4. 5MPa·πι1/2,提高了 5%之多，所以由本發(fā)明提供的方法制備的 SiC陶瓷材料適用于高溫工業(yè)爐，具有良好的商業(yè)價值。
【具體實施方式】
[0012] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0013] 實施例1 :
[0014] (1)研磨：首先將3 %的金屬硅粉和6 %的碳纖維混合研磨。
[0015] (2)混合：再分別加入65 %的粒徑為45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒徑為3~ 5微米的碳化硅粉，11 %的炭黑，在攪拌機中預(yù)混0. 5小時，外加上述干粉質(zhì)量1. 2%的木質(zhì) 素磺酸鈣和適量的水，攪拌8小時后，取出漿料。
[0016] (3)注漿成型：將上述漿料放入真空壓力罐中，經(jīng)真空處理后將漿料注入石膏模 具，10小時后開模，放入烘箱，70°C烘24小時。
[0017] (4)燒成：首先將上述烘干后的坯體放入石墨干堝中，埋入粒度為3~5毫米的金 屬硅。在真空爐中，真空度小于2Pa，升溫到1350°C，保溫3小時，在坯體中碳纖維和硅粉反 應(yīng)合成碳化硅晶須。再升溫到1900°C，保溫2小時后隨爐降溫。
[0018] 經(jīng)檢測，斷裂韌性為5. 2MPa·m1/2。
[0019] 實施例2:
[0020] (1)研磨：首先將5 %的金屬硅粉和4%的碳纖維混合研磨。
[0021] (2)混合：再分別加入65 %的粒徑為45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒徑為3~ 5微米的碳化硅粉，11 %的炭黑，在攪拌機中預(yù)混0. 5小時，外加上述干粉質(zhì)量1 %的木質(zhì)素 磺酸鈣和適量的水，攪拌6小時后，取出漿料。
[0022] (3)注漿成型：將上述漿料放入真空壓力罐中，經(jīng)真空處理后將漿料注入石膏模 具，6小時后開模，放入烘箱，50°C烘20小時。
[0023] (4)燒成：首先將上述烘干后的坯體放入石墨干堝中，埋入粒度為3~5毫米的金 屬硅。在真空爐中，真空度小于2Pa，升溫到1400°C，保溫2小時，在坯體中碳纖維和硅粉反 應(yīng)合成碳化硅晶須。再升溫到1550°C，保溫4小時后隨爐降溫。
[0024] 經(jīng)檢測，斷裂韌性為5. 5MPa·m1/2。
[0025] 實施例3:
[0026] (1)研磨：首先將4 %的金屬硅粉和5 %的碳纖維混合研磨。
[0027] (2)混合：再分別加入65 %的粒徑為45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒徑為3~ 5微米的碳化硅粉，10%的炭黑，在攪拌機中預(yù)混0. 5小時，外加上述干粉質(zhì)量1. 5%的木質(zhì) 素磺酸鈣和適量的水，攪拌10小時后，取出漿料。
[0028] (3)注漿成型：將上述漿料放入真空壓力罐中，經(jīng)真空處理后將漿料注入石膏模 具，6小時后開模，放入烘箱，50°C烘20小時。
[0029] (4)燒成：首先將上述烘干后的坯體放入石墨干堝中，埋入粒度為3~5毫米的金 屬硅。在真空爐中，真空度小于2Pa，升溫到1400°C，保溫3小時，在坯體中碳纖維和硅粉反 應(yīng)合成碳化硅晶須。再升溫到1700°C，保溫3小時后隨爐降溫。
[0030]經(jīng)檢測，斷裂韌性為5. 3MPa·m1/2。
[0031] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等同物界定。
【主權(quán)項】
1. 一種真空反應(yīng)燒結(jié)高初性碳化娃陶瓷的方法，其特征在于使用的顆粒級配的原料通 過與水混合、注漿成型W及真空燒結(jié)工序制成的； (1) 原料的顆粒級配和組成 45~75叫TiSiC粉合巧 60~65 ?；?3~卽mSiC粉合量 15~2Q 3~5畔1 金屬Si粉含量 3~5 碳纖維含量 4~6 炭黑營量 8~15 外加 木質(zhì)素橫酸巧結(jié)合劑 1~1.5% W上均為質(zhì)量百分含量； (2) 先將金屬娃粉和碳纖維混合研磨，然后配成漿料注入石膏模后在真空度小于9kPa 脫模，烘干然后放入石墨巧巧中，在真空度小于Wa條件下1350~140(TC合成SiC晶須，然 后再升溫至1550~1900°C燒結(jié)。2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于具體步驟是： (1) 研磨；首先將3~5%的金屬娃粉和4~6%的碳纖維混合研磨； (2) 混合；再分別加入60~65%的粒徑為45~75微米的碳化娃粉，15~20%的粒徑 為3~5微米的碳化娃粉，8~15%的炭黑，在攬拌機中預(yù)混，外加上述干粉質(zhì)量1~1. 5% 的木質(zhì)素礙酸巧和適量的水，攬拌，取出漿料； (3) 注漿成型；將上述漿料放入真空壓力罐中，經(jīng)真空處理后將漿料注入石膏模具，真 空度小于9KPa，6~10小時后開模，放入烘箱，50~7(TC烘干； (4) 燒成；首先將上述烘干后的昆體放入石墨干巧中，埋入粒度為3~5毫米的金屬 娃，在真空度小于2化真空爐中，，升溫到1350~140(TC，使昆體中碳纖維和娃粉反應(yīng)合成 碳化娃晶須，再升溫到1550~190(TC，保溫后隨爐降溫。3. 按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于： a) 步驟（2)所述的攬拌機預(yù)混時間0. 5~1小時；加入木質(zhì)素礙酸巧后攬拌時間為 6~10小時； b) 步驟（3)在烘箱中烘干時間為20~24小時； C)步驟（4)埋入金屬娃粉質(zhì)量百分純度為大于98% ; d) 步驟（4)所述的在1350~140(TC保溫時間為2~3小時； e) 步驟（4)所述的升溫到1550~190(TC保溫時間為2~4小時。4. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： a) 碳化娃粉純度大于98.5% ; b) 金屬娃粉純度大于99. 3% ; C)碳黑的純度大于99. 7%。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空反應(yīng)燒結(jié)高韌性碳化硅陶瓷的方法，其特征在于采用顆粒級配原料組成外加1～1.5％木質(zhì)素磺酸鈣結(jié)合劑先混和，然后與水混合配料、注漿成型、真空燒結(jié)最終制得SiC陶瓷，所制備的SiC材料的斷裂韌性KIC可以在5～5.6MPa·m1/2范圍內(nèi)可調(diào)，相對于普通SiC-B-C或SiC-A/N無壓燒結(jié)的KIC＝3.0～4.5MPa·m1/2，提高了5％之多，適用于高溫工業(yè)爐的使用，具有良好的商業(yè)價值。
【IPC分類】C04B35/81, C04B35/622, C04B35/565
【公開號】CN105367058
【申請?zhí)枴緾N201410418515
【發(fā)明人】陳海奕, 李建峰, 柯美亞, 顧燕
【申請人】上?？氯鹨苯馉t料有限公司, 上海彭浦特種耐火材料廠有限公司, 上海海事大學
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2014年8月22日