专利名称：一种含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法
一种含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法本发明涉及陶瓷制造方法，是关于碳化硅陶瓷制造方法，特别是关于一种 含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法。碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳 定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性， 在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广 泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构 陶瓷。机械设备中的动密封是通过两个密封端面材料的旋转滑动而进行的，作为 密封端面材料，要求硬度高，具有耐磨损性。碳化硅陶瓷的硬度相当高且摩擦 系数小，故碳化硅陶瓷作为机械密封端面材料可获得其它材料所无法达到的滑 动特性。另一方面，两个端面密封材料在旋转运动过程中由于摩擦会产生一定 的热量，从而使密封端面的局部温度升高，因此端面材料还必须能够耐受一定 的温度。为了避免端面密封材料在旋转滑动过程中产生热应变和热裂，要求端 面材料的导热系数高、抗热震性好。目前，碳化硅陶瓷已经在各类机械密封中 获得大量的应用，并为机械设备的省力和节能做出了很大的贡献，显示出其他 材料所无法比拟的优越性。碳化硅陶瓷在机械工业中还被成功地用作各种轴承、 切削刀具。航空航天、原子能工业等需要耐受超高温度的场合如核裂变和核聚变反应堆中需要的可承受2000度左右高温的耐热材料；火箭和航天飞行器表面用于耐 受与大气剧烈摩擦中产生的高达数千K温度的隔热瓦；火箭发动机燃烧室喉衬和 内衬材料，燃气涡轮叶片；高温炉的顶板、支架，以及高温实验用的卡具等高温构件也普遍釆用碳化硅陶瓷构件。碳化硅陶瓷在石油化学工业中还被广泛地 用作各种耐腐蚀用容器和管道。要进一步提高碳化硅陶瓷的性能，如何解决脆性问题，是一个关注的焦点。 脆性问题是各类陶瓷面临的共同的问题。中国天津大学高温结构陶瓷及工程陶瓷加工技术教育部重点实验室的周振君等，发表于"硅酸盐通报"2003年第3 期P57-61的题为"高可靠性结构陶瓷的增韧研究进展"，以及，山东大学的郝 春成等，发表于"材料导报"2002年2月第16巻第2期p28-30的题为"颗粒 增韧陶瓷的研究进展"，以及，中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微 结构国家重点实验室的郭景坤，发表于"复旦学报(自然科学版)"2003年12 月第42巻第6期p822-827的题为"关于陶瓷材料的脆性问题"，以及，山东大 学机械工程学院先进射流工程技术研究中心的刘含莲等，发表于"粉末冶金技 术"2004年4月第22巻第2期p98-103的题为"纳米复合陶瓷材料的增韧补强 机理研究进展"等论文中，对陶瓷增韧问题的理论和实践有详尽的介绍。陶瓷的韧化方式主要有相变增韧、纤维(晶须)增韧、颗粒增韧以及复合增 韧。其中，颗粒增韧是陶瓷增韧最简单的一种方法，它具有同时提高强度和韧 性等许多优点。影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相 颗粒的弹性模量E、热膨胀系数a及两相的化学相容性。其中化学相容性是复 合的前提，两相间不能存在过多的化学反应，同时又必须具有合适的界面综合 强度。利用热膨胀系数a的失配，从而在第二相颗粒及周围基体内部产生残余 应力场，是复相陶瓷增韧补强的主要根源。假设第二相颗粒与基体之间不发生 化学反应，如果第二相颗粒与基体之间存在热膨胀系数的失配，即 △ a : a p- a (p、 m表示颗粒和基体)，当△ a >0时，第二相颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态，切向处于压縮状态，这时裂纹倾向于绕 过颗粒继续扩展；当A a <0时，第二相颗粒处于压应力状态，切向受到拉应 力，这时裂纹倾向于在颗粒处钉扎或穿过颗粒。微裂纹的出现可以吸收能量从 而达到增韧的目的，微裂纹增韧因素之一是裂纹偏转，裂纹偏转是一种裂纹尖 端效应，是指裂纹扩展过程中当裂纹尖端遇到偏转物(颗粒、纤维、晶须、界面 等)时所发生的倾斜和偏转；微裂纹增韧因素之二是裂纹桥联，桥联物(颗粒、 纤维、晶须等)联接靠近桥联物的两个裂纹的两个表面并提供一个使两个裂纹面 相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致应力强度因子随裂纹扩展而增加。当 裂纹扩展遇到桥联剂时，桥联物有可能穿晶破坏，也可能出现互锁现象，即裂 纹绕过桥联物沿晶界发展并形成摩擦桥。简当地说，第二相异质相颗粒的引入， 将带来大量的微裂纹，大量的显性或隐性微裂纹有助于耗散或化解或吸收外来 的破坏性张应力。此外，在采用晶须进行增靭时，还存在拔出效应,拔出效应也 是一种有利于增韧的因素。当引入的第二相异质相颗粒为纳米颗粒时，还有利 于抑制陶瓷基材晶体颗粒的长大，烧成陶瓷中陶瓷基材晶体颗粒的微小化也是 一个重要的增韧因素，从断裂韧性值与显微结构观察结果来看，样品微观呈纳 米级细微组织，则宏观表现出最高的断裂韧性，可以认为，颗粒的细化使得组 织结构更加均匀，减小了应力集中及显微裂纹的尺寸，同时，颗粒的细化也使 显微裂纹数量增加，也就是说，微细的晶粒结构会导致晶界体积分数增加，在 该情形下，陶瓷断裂过程中生成的耗散性新裂纹表面积增大，陶瓷断裂前的过 程中需要吸收的外界能量因而大幅度增加，宏观上表现为陶瓷断裂韧性提高。采用片状晶体颗粒对陶瓷材料进行增韧，也是一条有效的陶瓷增韧途径。 中国青岛理工大学的李绍纯、戴长虹在发表于"硅酸盐通报"2004年第6期 p63-65的题为"碳化硅颗粒、晶须、晶片增韧陶瓷复合材料的研究现状" 一文 中，对碳化硅颗粒、晶须、晶片应用于非碳化硅基材增韧的情况，有一个详细
的介绍，该文涉及非碳化硅基材的增韧技术，例如碳化硅颗粒、碳化硅晶须、 碳化硅晶片用于(Ba0 - A1203 - Si02)玻璃陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷 的增韧。其中，碳化硅晶片的增韧机理经研究被认为是缘于裂纹桥连机制、裂 纹偏转机制和晶片拔出机制。在碳化硅陶瓷体系中，目前较多报道的是采用碳化硅晶须进行增韧，以及, 采用炭纤维进行增韧。碳化硅晶须增韧技术方案例如田杰谟等发明(设计)， 清华大学申请，申请号为CN91101684. 8的专利申请案"晶须增韧强化碳陶瓷复 合材料"；以及，阿历山大* J *派齐克发明(设计)，唐化学原料公司申请， 申请号为CN90110427. 2的专利申请案"碳化硅晶须增强陶瓷复合材料及其制造 方法"；以及，成来飞、张立同、徐永东、刘永胜、李镇、王晓明等发明(设计)， 中国西北工业大学申请，申请号为CN200410026337. 6的专利申请案"一种晶须 和颗粒增韧陶瓷基复合材料制备方法"。炭纤维增韧技术方案例如耿浩然等发 明(设计)，济南大学申请，申请号为CN03138926. 0的专利申请案"一种制备 碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺"。引入碳化硅晶须或炭纤维进行增韧，确能使碳化硅陶瓷韧性大幅度提高， 但是，碳化硅晶须制备成本较高，带来整个增韧陶瓷成品的生产成本上升，此 外，长径比很高的碳化硅晶须以及炭纤维总的说来较难与其它碳化硅陶瓷生产 原料混合均匀，这在一定程度上影响了增韧碳化硅陶瓷成品的品质均匀性。本发明的目的，是提供一种新的增韧方案，本发明的目的是利用炭纤维的 增韧强势，在结合使用炭纤维的同时，引入另一些适当的廉价的增初物质，与 炭纤维一起对碳化硅陶瓷进行组合增韧，以期减小对于相对难于分散的炭纤维 的依赖，并弱化混料不均可能带来的负面影响。这种解决方案要尽可能兼顾上 文述及的各种有益的增韧效应，所述另一些适当的廉价的增韧物质应当尽可能
是容易与其它碳化硅陶瓷生产原料均匀混合的物质。本发明的目的是通过如下的技术方案来达到，该技术方案是一种含炭纤维 的碳化硅陶瓷组合物制造方法，该制造方法的主要原料是碳化硅粉、烧结助剂 、增韧料以及结合剂，经混合、成型、固化、高温烧结等主要工艺步骤，形成 碳化硅陶瓷产品，原料中含有的增韧料是为增加碳化硅陶瓷的韧性而加入的物 料，所述高温烧结工艺步骤的烧结方式是无压固相烧结或无压液相烧结，其特 征在于，所采用的增韧料是由棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒以及炭纤维 三种增韧物质组成，所述棒状氧化铝颗粒是颗粒形貌呈棒状的氧化铝粉，所述 片状氧化铝颗粒是颗粒形貌呈片状的氧化铝粉，以及，每一种所述增韧物质的使用量(重量)与所述增韧料整体的使用量(重量)的比例值介于0.1与0.8 之间。所述棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒以及炭纤维的使用量均不为零。 所述无压固相烧结以及无压液相烧结的技术含义在碳化硅陶瓷生产领域是公知 的。所述烧结助剂例如C-B、 C-稀土类金属化合物、A1N+Y203、 B、 BN、 A14C3-B4C、 A18B4C7、 A1A+Y203、 Al4SiC4、 Al-C。所述结合剂是用来帮助坯料定型的物质， 例如PVB (酚醛树酯)、PVA (聚乙烯醇)。用于生产碳化硅陶瓷的原料还可包 括增塑剂，以及，润滑剂。所述增塑剂用于降低成型难度，所述增塑剂例如甘 油。所述润滑剂用于降低脱模难度，所述润滑剂例如油酸。生产过程中还可以 含有其它一些工艺步骤，例如，物料干燥；粉料造粒；对固化后的坯料进行机 械切削粗加工；对经高温烧结后的坯陶进行机械精磨加工等。所述混合工艺步 骤可以采用一般混合工艺。所述成型工艺步骤可以采用模压成型工艺或挤出成 型工艺。所述固化工艺步骤是通过在IO(TC - 300'C加温使所述结合剂发挥作用 的工艺步骤。所述高温烧结工艺步骤是在1700°C - 2100°C进行热处理的工艺 步骤。
关于棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒的制备技术或定制产品，中国武 汉大学高新技术产业发展部、武汉大学生产力促进中心可以提供。其中，所述 片状氧化铝颗粒(也就是片状氧化铝粉)的制备方法还可以在现有技术中找到， 所述现有技术例如(l)发明人是塞尔斯R *锡伯特、爱特华L '格拉文、Jr，申请人是圣戈本/诺顿工业塘瓷有限公司，申请号是CN94100796.0,题为-"片状氧化铝"的发明专利申请案.(2)发明人是新田胜久、陈明寿、菅 原淳，申请人是默克专利股份有限公司，申请号是CN96112590.X，题为"薄片状氧化铝和珠光颜料及其制造方法"的发明专利申请案。此外，中国浙江省某企业可大量供应现货(此物本来主要是用作珠光颜料的基片)。此外， 中国铝业股份有限公司郑州研究院也可以提供多种特殊形貌氧化铝颗粒的制备 技术。所述碳化硅陶瓷制造方法中的烧结工艺可以是无压固相烧结工艺，也可以 是无压液相烧结工艺。有多种烧结助剂可供选择，在采用无压液相烧结工艺时，可供选择的烧结助剂方案之一是氧化钇加氧化铝。在采用无压液相烧结工艺，并且用氧化钇加氧化铝的组合作为烧结助剂的 情形下，用作烧结助剂的那部分氧化铝原料当然也可以是采用所述棒状氧化铝 颗粒与所述片状氧化铝颗粒的组合，以及，每一种所述氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比例值介于0.1与0.9之间。每一种所述氧化铝颗粒的使用量均不为零。也就是说，在此方案中，作为原料之一加入的所述氧化铝颗粒的一部分，在高温烧结步骤，即在1700°C - 2100 °C温区进行热处理的工艺步骤中，与氧化钇反应生成熔融状的钇铝石榴石熔 液，而剩余部分的未反应的所述氧化铝颗粒成为增韧物质滞留在碳化硅陶瓷内， 由于所述氧化铝颗粒在此方案中担负双重角色，它与氧化钇的加料配比(铝与
钇的元素摩尔比)当然要超过钇铝石榴石化学式中的铝与钇的元素摩尔比。所述碳化硅陶瓷制造方法的原料中还可以含有镁元素。所述镁元素在原料 中的加入形态例如氧化镁、硝酸镁、碳酸镁、草酸镁。镁元素的引入有助于 抑制碳化硅晶粒的长大。如前文所述，碳化硅晶粒的细化有助于增韧。无论所述原料中是否含有镁元素，所述原料中也允许含有镧元素。所述镧 元素在原料中的加入形态例如氧化镧、硝酸镧、碳酸镧、草酸镧。镧元素的 加入也有利于抑制碳化硅晶粒长大。当采用无压液相烧结工艺，同时，以氧化钇加氧化铝的组合作为烧结助剂， 并且，用作烧结助剂的那部分氧化铝原料也是采用所述棒状氧化铝颗粒与所述 片状氧化铝颗粒的组合，前文已述及，在该情形下，由于所述氧化铝颗粒在此 方案中担负双重角色，它与氧化钇的加料配比(铝与钇的元素摩尔比)当然要 超过钇铝石榴石化学式中的铝与钇的元素摩尔比。该种方案的进一步的特征是， 原料混合工序包括以下工艺步骤a:将所述棒状氧化铝颗粒以及所述片状氧化 铝颗粒与氧化钇混合，进行球磨，形成双功能预制料，在所述双功能预制料中， 铝元素与钇元素的混合摩尔比大于七比三。b:将所述双功能预制料与碳化硅粉 以及炭纤维以及结合剂等进行混合。要解释的是，钇铝石榴石化学式中的铝与 钇的元素摩尔比是5比3，若期望有剩余的所述氧化铝颗粒用于增韧，则原料中 铝元素与钇元素的恰当的混合摩尔比应当大于七比三。该工艺方案就是将原料混合工序分成两段，其中，步骤a，也就是将所述棒状氧化铝颗粒以及所述片状氧化铝颗粒与氧化钇混合，进行球磨，形成所述双功能预制料的步骤，其作用， 是利用机械化学法使一部分的所述氧化铝颗粒与氧化钇发生一定程度上的反 应，形成一定量的钇铝石榴石前驱体。 一定量的钇铝石榴石前驱体的生成有利 于烧结。所述双功能预制料中同时含有用于增韧的过量的所述棒状氧化铝颗粒
以及所述片状氧化铝颗粒。在将所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等进行混合的工 艺步骤中，其混合方式可以采用球磨方式。虽然物料中包含相对难于混合的炭 纤维，球磨混合方式对于达成较好的混合效果是有益的。所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等的混合方式，也可 以采用机械搅拌的方式，其操作是加入液体形成浆状物料，并对所述浆状物料 施加机械搅拌。所述液体例如水、乙醇、甲醇或它们的任何比例的混合溶液。 由于用于无压烧结工艺的碳化硅粉的粒径大都在O.l - 0.9微米之间，颗粒已较 小，而经过球磨生成的所述双功能预制料粒径也较小，因而，尽管物料中包含 相对难于混合的炭纤维，采用加入液体配成浆状物料并施加机械搅拌的方式有 益于物料混合。并且，所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等的混合方式， 还可以是结合施加机械搅拌和超声波的方式在施加机械搅拌的同时或间歇， 对所述浆状物料施加超声波。结合施加机械搅拌和超声波的方式有利于促进掺 有炭纤维的物料的均匀混合。所述棒状氧化铝颗粒的径向宽度分布、棒状氧化铝颗粒的长径比分布、片 状氧化铝颗粒的板片宽度分布以及板片宽度与板片厚度之比的分布，实际上允 许范围较宽；但是，比较好的选择范围是所述棒状氧化铝颗粒的长径比分布 在3与5之间，所述棒状氧化铝颗粒的径向宽度分布在O.l微米与0.8微米之 间，所述片状氧化铝颗粒的板片宽度介于0.3微米与6.0微米之间，所述片状 氧化铝颗粒的板片宽度与板片厚度之比介于3与10之间。纳米级的嵌入物颗 粒有助于抑制碳化硅晶粒的长大，碳化硅晶粒的的细化是一个重要的增韧因素。本发明的特点，是利用炭纤维的增韧强势，在结合使用炭纤维的情形下，
同时引入棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒，与炭纤维一起对碳化硅陶瓷进 行组合增韧；所述棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒易于与其它物料均匀混 合；本发明的方案减小了对于相对难于分散的炭纤维的依赖程度，并弱化了混 料不均可能带来的负面影响。本发明的方案兼顾利用热膨胀失配诱发微裂纹、 裂纹偏转、裂纹桥联、棒状氧化铝颗粒拔出效应、片状氧化铝颗粒拔出效应以 及炭纤维拔出效应等有益的增韧因素。实施例l:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0. 9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0.5 % - 3.0 % (重量)的OB烧结助剂，与1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，以及，70. 0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维， 进行干法球磨混合，模压成型，在100'C - 300"€温度区间固化，之后，在 1700°C - 2100。C温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例2:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B烧结助剂，与1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维， 以及，适量的水，配成浆状物料，进行湿法球磨混合，经干燥，造粒，模压成
型，在100°C -300°。温度区间固化，之后，在1700°C -2100^温度区间烧结0.5 -3.0小时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例3:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B烧结助剂，与1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维， 以及，适量的水，配成浆状物料，进行机械搅拌混合，经干燥，造粒，模压成 型，在IO(TC -300°(:温度区间固化，之后，在1700°C -2100°。温度区间烧结0.5 -3.0小时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例4:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0. 9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0. 5 % - 3. 0 % (重量)的C-B烧结助剂，与1. 0 % - 5. 0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维， 以及，适量的水，配成浆状物料，进行机械搅拌混合，同时对浆状物料施加超 声波，如此处理完后，经干燥，造粒，模压成型，在100'C - 300<€温度区间固化，之后，在1700。C -2100。C温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳化硅陶瓷产 实施例5:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0. 9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将2.0 % - 8.0 % (重量)的A1N+Y203烧结助剂，与1.0 %- 5. 0 % (重 量)的PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，以 及，65.0 % - 93.0 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量) 的炭纤维，以及，适量的水，配成浆状物料，进行湿法球磨混合，经干燥，造 粒，模压成型，在10(TC -30(TC温度区间固化，之后，在1700。C -2100°(:温度 区间烧结0.5-3.0小时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例6:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0. 9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。按铝与钇的元素摩尔比8~17比3，将所述双形貌氧化铝颗粒粉料与氧化钇 混合，进行球磨，制成双功能预制料。将5.0 % - 20.0 % (重量)的双功能预 制料，与1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA，以及，65.0 % - 92.0 % (重量) 的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维，以及，适量的水，配 成浆状物料，进行湿法球磨混合，经干燥，造粒，模压成型，在10(TC - 300°C 温度区间固化，之后，在170(TC -2100°〇温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳 化硅陶瓷产品。实施例7:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比
例值介于0. 1与0. 9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。按铝与钇的元素摩尔比8~17比3，将所述双形貌氧化铝颗粒粉料与氧化钇 混合，进行球磨，制成双功能预制料。将5.0 % - 20.0 % (重量)的双功能预 制料，与1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA，以及，65.0 % - 92.0 % (重量) 的碳化硅粉，以及,2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维，以及，适量的水，配 成浆状物料，进行机械搅拌混合，经干燥，造粒，模压成型，在10(TC - 300°C 温度区间固化，之后，在170(TC -2100"温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳 化硅陶瓷产品。实施例8:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗 粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。按铝与钇的元素摩尔比8~17比3，将所述双形貌氧化铝颗粒粉料与氧化钇 混合，进行球磨，制成双功能预制料。将5.0 % - 18.0 % (重量)的双功能预 制料，与1.0%- 5.0% (重量)的PVA， 0.1%- 2.0% (重量)的氧化镁， 以及，65.0 % - 91.9 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 %- 10.0 % (重量) 的炭纤维，以及，适量的水，配成浆状物料，进行机械搅拌混合，经干燥，造 粒，模压成型，在10(TC -300°<:温度区间固化，之后，在170(TC -21001:温度 区间烧结0.5-3.0小时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例9:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所述 氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比 例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗
粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。按铝与钇的元素摩尔比8~17比3，将所述双形貌氧化铝颗粒粉料与氧化钇 混合，进行球磨，制成双功能预制料。将5.0 % - 20.0 % (重量)的双功能预 制料，与1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA， 0. 1 %- 2.0 % (重量)的氧化镁， 0.1 %- 2.0 % (重量)的氧化镧，以及，61.0 % - 91.8 % (重量)的碳化 硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维，以及，适量的水，配成浆状 物料，进行机械搅拌混合，经干燥，造粒，模压成型，在IO(TC - 300'C温度区 间固化，之后，在170(TC -2100"温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳化硅陶 瓷产品。实施例10:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所 述氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的比例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0. 5 % - 3. 0 % (重量)的C-B烧结助剂，与1. 0 % - 5. 0 % (重量)的 PVA， 2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的氧化镁，0.1%- 2.0 % (重量)的氧化镧，以及，66.0 % - 94.3 % (重量)的碳化硅粉，以及,2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维，以及，适 量的水，配成浆状物料，进行湿法球磨混合，经干燥，造粒，模压成型，在100 °C - 300°。温度区间固化，之后，在170(TC -2100°(:温度区间烧结0.5-3.0小 时，形成碳化硅陶瓷产品。实施例11:取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝颗粒原料，按每一种所 述氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重量)的 比例值介于0. 1与0.9之间的比例，称取棒状氧化铝颗粒原料以及片状氧化铝
颗粒原料，简单混配成双形貌氧化铝颗粒粉料。将0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B烧结助齐IJ，与1.0%- 5.0%(重量)的 PVA， 2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述双形貌氧化铝颗粒粉料，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的氧化镁，0.1 %- 2.0 % (重量)的氧化镧，0.1%- 2.0 % (重 量)的甘油，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的油酸，以及，62. 0 % - 94. 1 % (重量) 的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纤维，以及，适量的水，配 成浆状物料，进行湿法球磨混合，经干燥，造粒，模压成型，在100°C - 300°C 温度区间固化，之后，在170(TC -2100°。温度区间烧结0.5-3.0小时，形成碳 化硅陶瓷产品。为方便本领域之外的技术人员理解和实施本发明，本发明实施例中凡涉及 "C-B烧结助剂"的实施例，"C-B烧结助剂"均指定是碳化硼，即B4C。为方便本领域之外的技术人员理解和实施本发明，本发明实施例中凡涉及 "A1N+Y203烧结助剂"的实施例，"A1N+Y203烧结助剂"均指定是A1N与&03摩 尔比为2比l的混合物。本发明各实施例中，所涉及原料的用量均以范围形式给出，按所列用量范 围实施，均能在不同程度上实现本发明的目的；为方便本领域之外的技术人员 理解和实施本发明，可以指定各原料所列用量范围的中间值为最佳用量实施值。为方便本领域之外的技术人员理解和实施本发明，烧结设备可以指定是真 空碳管炉或热压烧结炉；在互联网上可以找到许多此类设备的供应商。关于陶瓷性能的测试方法和相关测试仪器，为方便本领域之外的技术人员 了解情况，说明如下以适当关键词键入检索，通过中文期刊网以及外文期刊 网以及互联网各大搜索工具，可以査到许多相关信息。
权利要求
1，一种含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，该制造方法的主要原料是碳化硅粉、烧结助剂、增韧料以及结合剂，经混合、成型、固化、高温烧结等主要工艺步骤，形成碳化硅陶瓷产品，原料中含有的增韧料是为增加碳化硅陶瓷的韧性而加入的物料，所述高温烧结工艺步骤的烧结方式是无压固相烧结或无压液相烧结，其特征在于，所采用的增韧料是由棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒以及炭纤维三种增韧物质组成，所述棒状氧化铝颗粒是颗粒形貌呈棒状的氧化铝粉，所述片状氧化铝颗粒是颗粒形貌呈片状的氧化铝粉，以及，每一种所述增韧物质的使用量(重量)与所述增韧料整体的使用量(重量)的比例值介于0.1与0.8之间。
2.根据权利要求1所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，所述碳化硅陶瓷制造方法是采用氧化钇和氧化铝作为烧结助剂的 无压液相烧结制造方法，以及，用作烧结助剂的那部分氧化铝原料也是 采用所述棒状氧化铝颗粒与所述片状氧化铝颗粒的组合，以及，每一种 所述氧化铝颗粒的使用量(重量)与两种所述氧化铝颗粒的总使用量(重 量)的比例值介于0. 1与0. 9之间。
3.根据权利要求1所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征在于，该制造方法的原料中含有镁元素。
4.根据权利要求1或3所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征在于，该制造方法的原料中含有镧元素。
5.根据权利要求2所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，原料混合工序包括以下工艺步骤 a:将所述棒状氧化铝颗粒以及所述片状氧化铝颗粒与氧化钇混合，进行 球磨，形成双功能预制料，在所述双功能预制料中，铝元素与钇元 素的混合摩尔比大于七比三。 b:将所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等进行混合。
6.根据权利要求5所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，在将所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等进行 混合的工艺步骤中，其混合方式是球磨方式。
7.根据权利要求5所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，在将所述双功能预制料与碳化硅粉以及炭纤维以及结合剂等进行 混合的工艺步骤中，其混合方式是加入液体形成浆状物料，并对所述浆 状物料施加机械搅拌。
8.根据权利要求7所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，对所述浆状物料结合施加机械搅拌和超声波。
9.根据权利要求1所述的含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法，其特征 在于，所述棒状氧化铝颗粒的长径比分布在3与5之间，所述棒状氧化 铝颗粒的径向宽度分布在O.l微米与0.8微米之间，所述片状氧化铝颗 粒的板片宽度介于0.3微米与6.0微米之间，所述片状氧化铝颗粒的板 片宽度与板片厚度之比介于3与IO之间。
全文摘要
本发明涉及陶瓷制造方法，特别是关于碳化硅陶瓷制造方法。本发明提供一种含炭纤维的碳化硅陶瓷组合物制造方法。本发明的特点，是利用炭纤维的增韧强势，在结合使用炭纤维的情形下，同时引入棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒，与炭纤维一起对碳化硅陶瓷进行组合增韧；所述棒状氧化铝颗粒以及片状氧化铝颗粒易于与其它物料均匀混合；本发明的方案减小了对于相对难于分散的炭纤维的依赖程度，并弱化了混料不均可能带来的负面影响。
文档编号C04B35/622GK101164995SQ20061013918
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月16日 优先权日2006年10月16日
发明者岳 宋, 李榕生, 淼 水, 霞 王 申请人:宁波大学