一种水基C/SiC料浆及C/SiC坯体的凝胶注模成型的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及凝胶注模成型领域，特别涉及一种水基C/SiC料浆及C/SiC坯体的凝胶注模成型的方法。
【背景技术】
[0002]碳化硅是S1-C键很强的共价键化合物，具有良好的化学稳定性、抗热震性和高的机械强度等优异性能，在石油化工、机械制造、航空航天、核工业、微电子工业等领域得到了广泛应用。
[0003]反应烧结具有烧结温度低、烧结时间短、样品收缩小、结构致密等优点，可实现大尺寸、复杂形状碳化硅样品的近净尺寸烧结，降低生产成本。
[0004]凝胶注模成型工艺是一种陶瓷原位凝固成形工艺，将传统陶瓷工艺和高分子化学理论结合起来，将陶瓷粉体、水、分散剂、有机单体混合，通过机械球磨等方式制备成料浆，在料浆中加入引发剂和催化剂，使有机单体在引发剂和催化剂的作用下发生交联和聚合反应，生成三维网络状聚合物凝胶，将陶瓷颗粒原位固化粘接在一起，进而生成近净尺寸、结构均匀、高强度的坯体。
[0005]目前在制备大尺寸、复杂形状、精密碳化硅结构件领域，多采用凝胶注模成型结合反应烧结工艺制得。在制备过程中，低应力、无缺陷、结构均匀、高强度C/SiC素坯的制备是制备精密反应烧结碳化硅结构件的关键之一。
[0006]采用凝胶注模成型工艺制备C/SiC坯体时主要存在以下技术关键:
[0007]1、高固相含量、高稳定性、均匀分散的水基C/SiC凝胶注模成型料浆的制备工艺；
[0008]2、水基C/SiC料浆的均匀固化工艺；
[0009]3、低应力、无缺陷凝胶注模成型C/SiC坯体的干燥工艺；
[0010]常采用低粘度、高固相含量、分散均匀的水基C/SiC料浆制备坯体，以降低坯体干燥收缩率，实现陶瓷材料的近净尺寸成型；同时避免坯体由于大的收缩而产生翘曲、变形甚至开裂等缺陷；保证料浆的低粘度、高稳定性和分散均匀性，可以提高素坯的均匀性；由于在单体聚合生成三维网络状凝胶时会产生体积膨胀效应，容易在坯体引入残余应力，造成坯体干燥过程中出现开裂和分层等缺陷；同时由于坯体中的聚合物凝胶对温度湿度极为敏感，在干燥过程中不易实现低应力、无缺陷C/SiC坯体的干燥，因此低应力无缺陷C/SiC坯体的干燥工艺是技术关键之一。
【发明内容】
[0011]本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种低粘度、高固相含量、均匀分散的水基C/SiC料浆。
[0012]本发明实施例还提供一种结构均匀的凝胶注模成型C/SiC坯体。
[0013]为了实现上述目的本发明采取的技术方案是:
[0014]一种水基C/SiC料浆，将碳化硅粉、炭黑、水、丙烯酰胺、N.N’-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵、聚乙烯吡咯烷酮加入球磨机中，在室温下机械球磨后，经真空除气，得到水基C/SiC料浆。
[0015]进一步地，还包括:
[0016]在水中加入丙烯酰胺、N.N’-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵和聚乙烯吡咯烷酮，在室温条件下混合溶解成混合溶液；
[0017]在混合溶液中加入碳化硅粉和炭黑，得到混合物，将混合物放入球磨机中。
[0018]所述水基C/SiC料浆中，固相含量为58vol% _68vol% ；
[0019]所述碳化硅粉添加量为水基C/SiC料浆中固相体积的85-98vol% ；
[0020]所述炭黑的添加量为水基C/SiC料浆中固相体积的2-15vol% ；
[0021]所述丙烯酰胺和N.N’ -亚甲基双丙烯酰胺的总添加量为水质量的20% -30%，其中，N.N’-亚甲基双丙烯酰胺占丙烯酰胺与N.N’-亚甲基双丙烯酰胺总质量的10% -20%,丙烯酰胺占丙烯酰胺与N.N’ -亚甲基双丙烯酰胺总质量的80% -90% ;
[0022]所述四甲基氢氧化铵以四甲基氢氧化铵水溶液的形式加入，所述四甲基氢氧化铵水溶液的浓度为8-12wt% ;所述四甲基氢氧化铵水溶液的添加量为碳化硅粉质量的0.5-2.0% ；
[0023]所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为炭黑质量的5.0-15.0%。
[0024]所述水为去离子水，所述碳化硅粉纯度>99.2%，平均粒径为3.0_50 ym ;所述炭黑的平均粒径为0.3-20 μm ;所述丙烯酰胺、N.N’ -亚甲基双丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮均为分析纯。
[0025]所述球磨的时间为24-48小时；所述真空除气过程中真空度8_12Pa，真空除气时间为10-30分钟。
[0026]本发明还提供一种利用上述的水基C/SiC料浆制备C/SiC坯体的凝胶注模成型的方法，包括以下步骤:
[0027](I)制备水基C/SiC料浆；
[0028](2)室温下浇注及预定温度下固化:
[0029]将制得的水基C/SiC料浆转移至室温条件下冷却，加入引发剂过硫酸铵，催化剂亚硫酸氢钠，缓聚剂邻苯二酚，室温下搅拌3-10分钟，在室温下浇注成型，并在预定温度下固化得到C/SiC坯体；
[0030](3)坯体的干燥:
[0031]将制得的C/SiC坯体置于温度湿度可控的干燥空间中进行干燥；再将坯体转移至鼓风干燥箱中，在设定温度下保温一定时间，除去C/SiC坯体中的残余水分，得到C/SiC坯体。
[0032]所述过硫酸铵以过硫酸铵水溶液的形式添加，所述过硫酸铵水溶液的浓度为8-12wt% ;所述过硫酸铵水溶液的添加量为水基C/SiC料浆质量的0.01-0.05% ；
[0033]所述亚硫酸氢钠的添加量为过硫酸铵质量的0.50-2.0倍；
[0034]所述邻苯二酚的添加量为水基C/SiC料浆质量的0.02-0.40%。
[0035]所述过硫酸铵、亚硫酸氢钠及邻苯二酚均为分析纯。
[0036]所述室温为15°C _35°C，所述搅拌的时间为3-10分钟，所述固化的预定温度为600C -90°C，所述固化的时间为10-20分钟。
[0037]所述干燥时间为2-5天，所述干燥空间的温度为10-40°C，相对湿度40% -90%，空气流动速率 0.01m/s-0.20m/s ；
[0038]所述鼓风干燥箱中，设定温度为80_110°C，保温时间为3-10小时。
[0039]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0040]1、采用不同粒径的碳化硅粉料级配混合制得了低粘度、高固相含量、分散均匀水基C/SiC料浆，保证了成型C/SiC坯体的结构均匀性。
[0041]2、采用分析纯过硫酸铵(APS)为引发剂，分析纯亚硫酸氢钠(NHS)为催化剂，分析纯邻苯二酚为缓聚剂，可实现较高温度条件下的均匀固化，同时延长了单体聚合交联反应的时间，避免了单体快速聚合而放热致使料浆内存在不均匀温度场，以及因快速聚合而产生的剧烈的体积膨胀效应，降低了在坯体中引入残余应力的概率，能够实现水基C/SiC在较高温度条件下的均匀固化，制备出结构均匀的C/SiC坯体。
[0042]3、采用室温控湿干燥工艺结合高温干燥工艺对凝胶注模成型C/SiC坯体进行干燥，具有可操作性好、工艺过程稳定等优点，能够实现低成本、低应力、无缺陷凝胶注模成型C/SiC坯体的干燥。
[0043]本发明将在均质高强C/SiC坯体及大尺寸、复杂形状、精密、高性能碳化硅的制备领域中发挥重要作用，应用前景广阔。
【附图说明】
[0044]图1是本发明实施例提供的均质高强C/SiC坯体的凝胶注模成型工艺流程图；
[0045]图2是本发明实施例提供的凝胶注模成型C/SiC坯体高温干燥温度制度图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0047]参见图1，图1为均质高强C/SiC坯体凝胶注模成型工艺流程图，以碳化硅粉和工业级炭黑为原料，去离子水为分散介质，丙烯酰胺(Acylamide，C3H5NO)为单体，N.N’ -亚甲基双丙稀酰胺(C7HltlN2O2)为交联剂，四甲基氢氧化钱(Tetramethylammonium hydroxide，C4H13NO)为碳化娃粉分散剂，聚乙稀卩比略烧酮(Polyvinylpyrolidone，(C6H9NO)n)为炭黑分散剂，在室温下机械球磨24-48小时(优选为36小时)后，得到水基C/SiC料浆，再经真空除气得到无气泡水基C/SiC料浆。给无气泡水基C/SiC料浆中加入引发剂、催化剂及缓聚剂并机械搅拌，得到可均匀固化水基C/SiC料，再经室温浇注并在较高温度下固化，得到一定形状和尺寸C/SiC坯体，再经脱模、干燥，得到均质高强的C/SiC坯体。
[0048]本发明解决了凝胶注模成型C/SiC坯体过程中存在的高固相含量低粘度料浆难制备、料浆在室温下难均匀固化及凝胶注模成型C/SiC坯体难实现低应力、无缺陷干燥的问题，实现了均质高强C/SiC坯体的凝胶注模成型。
[0049]实施例1
[0050]本实施例中两种级配碳化硅粉F1200和F240中位径D5tl(平均粒径)分别为3.32 μπι和43.32 μm，纯度均大于99.2% ;炭黑的中位径D5tl(平均粒径)约0.4 μπι;制备过程中所用单体、交联剂、分散剂、弓I发剂、催化剂均为分析纯。
[0051]一种C/SiC坯体的凝胶注模成型的方法，步骤如下:
[0052](I)制备水基C/SiC料浆:
[0053]在388.65g去离子水中加入141.58g丙烯酰胺，24.98gN.N’ -亚甲基双丙烯酰胺，84.79g浓度为1wt %的四甲基氢氧化钱水溶液，4.33g聚乙稀吡咯烧酮，在室温条件下混合溶解成混合溶液；
[0054]在混合溶液中加入2755.59g碳化硅粉F240，1483.78g碳化硅粉F1200，86.52g炭黑，得到混合物，将混合物放入球磨机中，在室温条件下机械球磨48小时，得到水基C/SiC料浆；
[0055]将制得的料浆转移至真空设备中，真空度约SPa条件下真空除气10分钟。
[0056](2)室温下浇注及预定温度下固化:
[0057]将制得的水基C/SiC料浆转移至室