无压烧结碳化硅陶瓷(碳化硅陶瓷烧结工艺)

各位网友们好，相信很多人对无压烧结碳化硅陶瓷都不是特别的了解，因此呢，今天就来为大家分享下关于无压烧结碳化硅陶瓷以及碳化硅陶瓷烧结工艺的问题知识，还望可以帮助大家，解决大家的一些困惑，下面一起来看看吧！

本文目录一览

• 1、无压烧结碳化硅会不会氧化成二氧化硅
• 2、碳化硅陶瓷的用途你知道多少

无压烧结碳化硅会不会氧化成二氧化硅

常温下不会的，只有在摄氏350度以上高温下才会。SiC与烧结过程根据有无加压分为热压烧结和无压烧结，热压烧结是在烧结过程中同时施 定的外力，使材料加速流动、重排和致密化。而无压烧结是指在常压下，通过对制品加热而烧结的一种方法。在碳化硅烧结中，由于sic共价键比例较高，自扩散系数很小，从而导致碳化硅很难烧结。相对于无压烧结，碳化硅陶瓷采用热压烧结虽然更容易获得细晶粒的组织，实现晶体的趋向效应和控制含有高蒸气压成分系统的组成变化，因而容易得到良好机械性能的产品，但是热压烧结仅 合形状简单的制品，对于形状复杂的制品，后期还需要金刚石切割机的再次加工，很难规模生产；而无压烧结制备的sic陶瓷不仅具备烧结助剂含量低，不会在晶界处残留低熔点的物质，可使sic陶瓷材料拥有良好的高温稳定性的 ，而且，对于降低烧结成本和制备形状复杂且厚度较大的产品，常压烧结具有比较突出的优势。但常压烧结过程中碳化硅样品容易产生孔隙，其致密化程度较热压烧结有所欠缺，得到的碳化硅密度在3.1g/cm3左右，弯曲强度在400mpa左右， 硬度0.5约2400-2500kgf/mm2，无法满足复杂工况下对耐冲击、耐颠震的性能要求，因此如何利用无压烧结获得高性能的碳化硅复合陶瓷以达到复杂工况下的使用要求是十分必要的。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前碳化硅陶瓷无压烧结的缺陷，引入sic-tib2-b4c复合相，以增强陶瓷材料的弯曲强度、硬度等性能，再通过聚酰亚胺在粘合剂添加之前覆盖在sic、tib2、b4c表面，以降低烧结过程中的孔隙率，提高烧结致密度，进一步提高材料的性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能无压烧结碳化硅复合陶瓷的制备方法，所述碳化硅复合陶瓷的制备原料包括以下重量份成分：
sic：70-80份，tib2：13-18份，b4c：5-12份，分散剂：0.3-0.5份，酚醛树脂：5-8份，聚乙烯：1-2份，聚乙烯醇：4-6份，脱模剂：2-5份，聚酰亚胺：5-7份，水150-300份。
作为 ，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照权利要求1的原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、分散剂以及40-60％的水混合球磨4-8h；
(2)静置1-5h后，入蒸汽干燥箱中干燥；
(3)加入酚醛树脂以及剩余40-60％的水，继续球磨1-3h；
(4)加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨1-3h，得浆液；
(5)将浆液喷雾干燥造粒；
(6)造粒料过50-100目筛，加入脱模剂，采用压制成型工艺制得生坯；
(7)将生批放入高温真空烧结炉内，采用无压烧结工艺进行烧结。
作为 ，所述球磨机转速为50～500转/分钟，步骤(1)球磨后的粒度0.1-2μm。
作为 ，所述喷雾干燥造粒大 50-100μm，含水率0.5-1.5％。
作为 ，所述成型压力为300-500mpa。
作为 ，所述无压烧结工艺为：以10-15℃/min的速度升温至1200-1400℃，然后通入惰性气体，随后以≥50℃/min的速度加热至2000-2200℃，保温烧结2-4h。
作为 ，所述分散剂为六偏磷酸钠、聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、十二烷基硫酸钠、四甲基氢氧化铵中的一种或多种。
作为 ，所述脱模剂为微晶石蜡、聚乙烯蜡、氮化硼、硬脂酸盐类、滑石粉、白粘土、云母中的一种或多种。
与现有技术相比，有益效果体现在：
在sic的基础上，引入tib2和b4c，形成sic-tib2-b4c复合相，增强陶瓷材料的弯曲强度、硬度等性能。并加入聚酰亚胺干燥固定在sic、tib2、b4c颗粒表面，通过烧结过程中的缓慢升温，降低材料的孔隙度并建立起共格晶界，提高烧结致密度，进一步提高材料的性能。本发明所获得的复合陶瓷性能选超无压烧结碳化硅，满足复杂工况下，耐冲击、耐颠震等性能要求。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
一个实施例中，碳化硅复合陶瓷的制备原料包括以下重量份成分：sic：70-80份，tib2：13-18份，b4c：5-12份，分散剂：0.3-0.5份，酚醛树脂：5-8份，聚乙烯：1-2份，聚乙烯醇：4-6份，脱模剂：2-5份，聚酰亚胺：5-7份，水150-300份。
b4c是硬度很大的材料，将其作为增强相分散在sic基体中可以极大提高材料的硬度。tib2在碳化硅和碳化硼表面形成，碳化硅和碳化硼成为附着二硼化钛的基体，因此颗粒小的二硼化钛颗粒包围在碳化硅和碳化硼周围，防止二硼化钛颗粒成团聚集，并利用陶瓷中的二硼化钛颗粒使得部件承受弯曲的能 大：在高温下，tib2可以与碳化硅表面的残留si形成固溶体，固溶强化体提高材料的弯曲强度。且tib2能够润湿sic和b4c，形成sic-tib2-b4c复合相，三者具有良好的界面相容性，以促进烧结，提高材料的力学性能。
酚醛树脂作为碳源，在烧结过程中，使碳化硅表面的二氧化硅形成碳化硅，从而增加碳化硅的表面能，促进烧结，烧结过后产品内部没有残留的硅，提高产品的耐腐蚀性。聚乙烯以及聚乙烯醇作为粘结剂，将碳化硅等颗粒粘结在一起，无压烧结中增加致密度，粘结剂的含量需要控制合理，粘结剂含量越多，干燥后形成的网络越密实，粘结力也越强，但是粘结剂含量过多会降低碳化硅复合陶瓷的密度。
一个实施例中，碳化硅复合陶瓷的制备方法包括以下步骤：
(1)按照原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、分散剂以及40-60％的水混合球磨4-8h，湿法球磨不仅能均匀分散粉体，还可以细化陶瓷颗粒粒径，获得晶粒细化的均匀分散体系。
(2)静置1-5h后，入蒸汽干燥箱中干燥；
(3)加入酚醛树脂以及剩余40-60％的水，继续球磨1-3h。
(4)加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨1-3h，得浆液。
(5)将浆液喷雾干燥造粒。将混合好的浆料直接喷雾到热空气中，在非常短的时间内干燥，得到形状规则的球状粉粒。压制成型前的造粒可以避免各组分的再团聚和沉降分离，保持浆料原有的均匀性，得到的粉体粒度分布均匀，流动性好。
(6)造粒料过50-100目筛，加入脱模剂，采用压制成型工艺制得生坯；
(7)将生批放入高温真空烧结炉内，采用无压烧结工艺进行烧结。
本实施例中，先将聚酰亚胺与sic、tib2、b4c颗粒混合球磨，静置过程中，聚酰亚胺吸附在颗粒表面，通过干燥将颗粒表面的聚酰亚胺固定住。粘结剂聚乙烯和聚乙烯醇在后续球磨中形成在聚酰亚胺外周围，由此sic、tib2和b4c颗粒从内到外形成聚酰亚胺层和粘结剂层。粘结剂层的热分解速度低于聚酰亚胺，在烧结过程中，粘结剂层最先热分解挥发，形成的孔隙由聚酰亚胺填充，随后聚酰亚胺再热分解，sic、tib2、b4c颗粒相互粘结，从而降低无压烧结过程中的孔隙，提高致密度。
一个实施例中，所述球磨机转速为50～500转/分钟，步骤(1)球磨后的粒度为0.1-2μm。复合陶瓷由sic、tib2、b4c粉末制成，粉末大小决定烧结部件中的晶粒大小，从而影响陶瓷性能，将sic、tib2、b4c粉末的粒度控制在0.1-2μm，有助于获得合 粒径的晶粒。
一个实施例中，所述喷雾干燥造粒大 50-100μm，含水率0.5-1.5％。造粒料中的水分含量对烧结具有很大影响，残余的水分在烧结过程中形成水蒸气，而水蒸气与碳化硅在高温下反应强烈，会生成硅、碳或二氧化硅，影响颗粒间的粘结，降低材料致密度。
一个实施例中，所述成型压力为300-500mpa。
一个实施例中，所述无压烧结工艺为：以10-15℃/min的速度升温至1200-1400℃，然后通入惰性气体，随后以≥50℃/min的速度加热至2000-2200℃，保温烧结2-4h。
烧结过程中，在温度升至1200-1400℃之前，以10-15℃/min的速度的温度升温，可以延长粘结层和聚酰亚胺层的热分解间隔时间，使得聚酰亚胺层由足够的时间填充粘结层分解留下的孔隙。烧结过程中的高温段再充入惰性气体进行保护。
以下实施例中，聚酰亚胺具体选自 vespel，聚乙烯醇采用日本可 丽pva-217，聚乙烯蜡为泰国scg化工的lp0020p，聚乙烯为 化工的3300f，酚醛树脂购自河南滨海实业有限责任公司，型号为2130。
实施例1
本实施例的碳化硅复合陶瓷制备方法中，原料为以下重量份成分：sic：75份，tib2：15份，b4c：10份，六偏磷酸钠：0.4份，酚醛树脂：6份，聚乙烯：1.5份，聚乙烯醇：5份，聚乙烯蜡：3份，聚酰亚胺：6份，水200份。
按照上述原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、六偏磷酸钠以及60％的水混合球磨6h，球磨机转速为100r/min，球磨后粒度为1μm左右；静置3h后，入蒸汽干燥箱中干燥；然后加入酚醛树脂以及剩余40％的水，继续球磨2h；加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨2h，得浆液；将浆液喷雾干燥造粒，造粒大 80μm左右，含水率1.0％左右；造粒料过60目筛，加入聚乙烯蜡，在400mpa下压制成生坯；将生批放入高温真空烧结炉内，先以11℃/min左右的速度升温至1300℃，然后通入氩气，随后以70℃/min的速度加热至2100℃，保温烧结3h，得无压烧结碳化硅复合陶瓷。
实施例2
本实施例的碳化硅复合陶瓷制备方法中，原料为以下重量份成分：sic：75份，tib2：15份，b4c：10份，六偏磷酸钠：0.4份，酚醛树脂：6份，聚乙烯：1.5份，聚乙烯醇：5份，聚乙烯蜡：3份，聚酰亚胺：6份，水200份。
按照上述原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、六偏磷酸钠以及60％的水混合球磨6h，球磨机转速为100r/min，球磨后粒度为5μm左右；静置3h后，入蒸汽干燥箱中干燥；然后加入酚醛树脂以及剩余40％的水，继续球磨2h；加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨2h，得浆液；将浆液喷雾干燥造粒，造粒大 80μm左右，含水率1.0％左右；造粒料过60目筛，加入聚乙烯蜡，在400mpa下压制成生坯；将生批放入高温真空烧结炉内，先以11℃/min左右的速度升温至1300℃，然后通入氩气，随后以70℃/min的速度加热至2100℃，保温烧结3h，得无压烧结碳化硅复合陶瓷。
实施例3
本实施例的碳化硅复合陶瓷制备方法中，原料为以下重量份成分：sic：75份，tib2：15份，b4c：10份，六偏磷酸钠：0.4份，酚醛树脂：6份，聚乙烯：1.5份，聚乙烯醇：5份，聚乙烯蜡：3份，聚酰亚胺：6份，水200份。
按照上述原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、六偏磷酸钠以及60％的水混合球磨6h，球磨机转速为100r/min，球磨后粒度为1μm左右；静置3h后，入蒸汽干燥箱中干燥；然后加入酚醛树脂以及剩余40％的水，继续球磨2h；加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨2h，得浆液；将浆液喷雾干燥造粒，造粒大 200μm左右，含水率1.0％左右；造粒料过60目筛，加入聚乙烯蜡，在400mpa下压制成生坯；将生批放入高温真空烧结炉内，先以11℃/min左右的速度升温至1300℃，然后通入氩气，随后以70℃/min的速度加热至2100℃，保温烧结3h，得无压烧结碳化硅复合陶瓷。
实施例4
本实施例的碳化硅复合陶瓷制备方法中，原料为以下重量份成分：sic：70份，tib2：13份，b4c：6份，柠檬酸铵：0.3份，酚醛树脂：5份，聚乙烯：1份，聚乙烯醇：4份，微晶石蜡：2份，聚酰亚胺：5份，水150份。
按照上述原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、柠檬酸铵以及50％的水混合球磨5h，球磨机转速为200r/min，球磨后粒度为1μm左右；静置2h后，入蒸汽干燥箱中干燥；然后加入酚醛树脂以及剩余50％的水，继续球磨1h；加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨3h，得浆液；将浆液喷雾干燥造粒，造粒大 50μm左右，含水率0.5％左右；造粒料过80目筛，加入微晶石蜡，在300mpa下压制成生坯；将生批放入高温真空烧结炉内，先以15℃/min左右的速度升温至1200℃，然后通入氩气，随后以60℃/min的速度加热至2000℃，保温烧结2h，得无压烧结碳化硅复合陶瓷。
实施例5
本实施例的碳化硅复合陶瓷制备方法中，原料为以下重量份成分：sic：80份，tib2：18份，b4c：10份，十二烷基硫酸钠：0.3份，酚醛树脂：8份，聚乙烯：2，聚乙烯醇：6份，硬脂酸盐锌：4份，聚酰亚胺：7份，水300。
按照上述原料配比称取各成分，将sic、tib2、b4c、聚酰亚胺、十二烷基硫酸钠以及60％的水混合球磨7h，球磨机转速为100r/min，球磨后粒度为1.2μm左右；静置4h后，入蒸汽干燥箱中干燥；然后加入酚醛树脂以及剩余40％的水，继续球磨3h；加入聚乙烯和聚乙烯醇，球磨2h，得浆液；将浆液喷雾干燥造粒，造粒大 100μm左右，含水率1.5％左右；造粒料过60目筛，加入硬脂酸盐锌，在400mpa下压制成生坯；将生批放入高温真空烧结炉内，先以10℃/min左右的速度升温至1400℃，然后通入氩气，随后以90℃/min的速度加热至2200℃，保温烧结3h，得无压烧结碳化硅复合陶瓷。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料中没有包含聚酰亚胺，其它与实施例1相同。
对比例2
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料中聚酰亚胺与聚乙烯以及聚乙烯醇一起添加，其它与实施例1相同。
对比例3
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料中没有包含tib2，其它与实施例1相同。
对比例
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料中没有包含b4c，其它与实施例1相同。
对比例5
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料中没有包含tib2和b4c，其它与实施例1相同。
对比例6
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料的无压烧结工艺为：以5℃/min左右的速度升温至1300℃，其它与实施例1相同
对比例7
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的碳化硅陶瓷复合材料的无压烧结工艺为：以30℃/min左右的速度升温至1300℃，其它与实施例1相同。
将实施例1-5以及对比例1-7的碳化硅复合陶瓷进行性能测试，结果如表1所示。
从表1可以看出，对比例1-7的密度和性能都要低于实施例1-5的碳化硅复合陶瓷，尤其是对比例1，因其复合材料中没有包括聚酰亚胺，呈现的性能显著低于实施例1-5，对比例3、对比例4和对比例5分别缺少tib2、b4c以及tib2和b4c成分，形成的陶瓷中无法形成sic-tib2-b4c复合相，弯曲强度、硬度等性能低于实施例1-5。而实施例1选用实施例的较优参数，相对实施例2-5具有最 性能。
所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
蒸气在1300－1400℃作用，但要到1775－1800℃才强烈的作用：SiC+2H2O→SiO2+CH4
SiC在氧中，在1000℃以下不被氧化，在1350℃时显著地氧化。在1350－1500℃之间形成SiO2，而SiO2在1700℃左右熔化。所生成的SiO2在熔化时覆盖在SiC的上面，阻碍SiC再继续氧化。
在1750℃时，SiC按下列反应强烈地进行氧化：
SiC+3/2O2→SiO2+CO
SiC+2O2→SiO2+CO2

碳化硅陶瓷的用途你知道多少

碳化硅陶瓷具有强度高，导热系数大、抗震性好、抗氧化、耐磨损、抗侵蚀等优良的高温性能，是一种优质陶瓷材料。在冶金、能源、化工等行业得到广泛应用。下面小编为大家介绍碳化硅陶瓷的用途。
碳化硅陶瓷的用途
1、化工、冶金
碳化硅材料对铁水、熔渣和碱金属的侵蚀有高的抗力，和高导热和耐磨损的特性，70年代至90年代初期。全世界已有65％以上的大型高炉采用了氮化硅结台碳化硅材料作为炉身材料，使高炉寿命延长了2096—40％。在冶炼金属铝、铜和锌时，也大量的采用了各种碳化硅材料作为炉衬或坩埚。在化工、冶金工业中，为了充分利用各种热炉废气中的热量，经常使用陶瓷热交换器预热各种气体或液体。
2、能源环保
将煤气在高温下直接净化，可充分利Hexolov热交换器用煤气的显热，比之常温净化可 提高热效率，将高温净化后的煤气直接用于燃气轮机发电，可以 提高供电效率，减低有害物的排量，节约用水。 燃煤发电系统中燃气轮机设备的使用与环境保护的 都要求实现高温燃气直接除尘。
3、工业窑炉
轻工、建材、 等行业大量使用各种工业窑炉，采用不同材质碳化硅窑具的组合，可以大幅度减少窑具重量及其所占据的 ，提高能量利用率，减轻工人劳动强度。同时由于48碳化硅部件优异的抗熟冲击性能，烧成升温速度可以加快。
4、各种加熟装置
在材料烧结、熔化、热处理，以及玻璃行业，燃气间接加热是一种重要方式。燃气间接加热与直接燃烧加热相比，可 提高热效率，降低NO。等有害气体的排出。同时提高了温度的稳定性，保证对炉内气氛的控制：同时在许多工业加热过程中，要求工件与燃烧环境隔离。
5、发热元件
碳化硅重要的导电特性使得其是制造lOOO。C以上加热炉发热元件的最主要材料，碳化硅发热元件是碳化硅材料的最主要产品，具有极大的市场。
我国有关产品的使用温度长期停留在1400’C以下，而发达 进人九十年代以来，其碳化硅发热元件的使用温度已普遍提高到1600″(2，例如德国的Cesi-wid公司，日本的东海高热株式会社，同时与国外产品相比，我国产品冷端／热区电阻比一般仅为1：10，低于国外水平(1：15)，造成电力 的浪费。
6、机械密封
为了改进性能，节约燃料，延长保修期，汽车工业对冷却系统提出了更高的要求。由于汽车冷却系统温度和压力的提高，要求水泵具有更高的速度，承担更高的负载。提高水泵使用寿命的重要因素之一是机械密封问题。
7、原子能工业用碳化硅复合材料
碳化硅材料具有低的中子激活行为(中子作用下的放射性)，低的停堆余热，低的气体(特别对氮气)渗透率，加之优异的高温机械性能，使得其可用于核电站用结构材料。例如美国ARIFS核电站选择SiC纤维增强的SiC作为嵌套包壳材料。随着核电事业的发展，对高性能碳化硅材料的需求必将 增加。5l4结语通过以上对碳化硅材料制备及其工程应用进行的总结，可以看出碳化硅材料是目前最具有产业化前景的先进工程陶瓷，它不仅包括高性能精细陶瓷，而且更覆盖了从低到高各种不同性能档次的碳化硅制品。
碳化硅的性质
分子式为SiC，其硬度介于刚 金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。
纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。
碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。
碳化硅陶瓷的烧结方法
1、热压烧结：只能制备简单形状的碳化硅部件，生产效率低，不利于大规模商业化生产。
2、无压烧结（常压烧结）：能生产复杂形状和大尺寸碳化硅部件，是目前普遍认可的最有优势的烧结方法。
3、反应烧结：能制备复杂形状的碳化硅部件，烧结温度低，但是产品高温性能不佳。