真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，更确切地说涉及一 种碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法。属于精细陶瓷领域。
【背景技术】
[0002] 碳化硅陶瓷具有比重小、硬度高、比强度高、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震性能良 好等特点，被广泛用于各类工业炉中的烧嘴。目前，工业化生产的碳化硅陶瓷主要采用反应 烧结法制备，该烧结方法制得的碳化硅陶瓷硬度高、弹性模量大，但断裂韧性较低，通常低 于3MPa·m1/2。为此，改善碳化硅陶瓷的韧性成为研究热点。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN101104559的中国专利公开了一种碳 纤维增强增韧反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，配料组分为碳化硅100重量份，炭黑7~ 18重量份，碳纤维2~8体积份，制备方法是将配料碳化硅和炭黑的复合粉体及碳纤维分 散于有机单体和交联剂的溶液中，虽然碳纤维的加入明显提高了碳化硅陶瓷的强度和断裂 韧性。但该体系的不足之处是：碳纤维在使用过程中，耐高温性能较差，增韧效果因而被弱 化。检索中又发现，公开号为CN101747044A的中国专利公开了一种以中间相炭微球为炭源 的反应烧结碳化硅陶瓷制备方法，首次采用中间相炭微球为炭源和10~40wt%碳化硅粉 为原料，制备的反应烧结碳化硅陶瓷具有密度相对较低，强度高，残硅量小等特点。但仍然 存在中间相炭微球使用过程中不耐高温的缺点。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种真空反应烧结高韧 性碳化硅陶瓷的方法，本发明旨在通过碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷，提高了材料 的断裂韧性，进而拓宽反应烧结碳化硅材料的应用领域。
[0005] 用于高温工业炉中的碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷，其特征在于：所述碳 化硅陶瓷原材料各质量百分比含量为：粒度为45~75微米的碳化硅粉60~65%，粒度 为3~5微米的碳化硅粉15~20 %，粒度为3~5微米的金属硅粉3~5 %，碳纤维4~ 6%，炭黑8~15%。外加上述干粉质量1~1. 5%的木质素磺酸钙作结合剂。碳化硅粉纯 度大于98. 5 %，金属硅粉纯度大于99. 3 %，炭黑纯度大于99. 7 %。上述原料先将金属硅粉 和碳纤维混合研磨，然后配成浆料，注浆成型，在低真空度下脱模、烘干，然后再在真空度小 于2Pa条件下先合成SiC晶须，然后1500-1900°C烧结，最终制得碳化硅陶瓷。
[0006] 上述的碳化硅陶瓷的具体制备步骤为：
[0007] (1)研磨：首先将3~5 %的金属硅粉和4~6 %的碳纤维混合研磨。
[0008] (2)混合：再分别加入60~65 %的粒度为45~75微米的碳化硅粉，15~20 %的 粒度为3~5微米的碳化硅粉，8~15%的炭黑，在搅拌机中预混0. 5~1小时，外加上述 干粉质量1~1. 5%的木质素磺酸钙和适量的水，搅拌6~10小时后，取出浆料。
[0009] (3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模 具，真空度小于9KPa，6~10小时后开模，放入烘箱，50~70°C烘20~24小时。
[0010] (4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3~5毫米的金 属硅，所埋的金属硅纯度大于98%。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1350~1400°C， 保温2~3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反应合成碳化硅晶须。再升温到1550~1900°C， 保温2~4小时后随炉降温。
[0011] 本发明涉及的碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅材料陶瓷体系，可在较宽的范围内 调整其断裂韧性，使断裂韧性提高到5~5. 6MPa·πι1/2。相对于普通SiC-B-C或SiC-A/N无 压烧结制品的Κκ = 3. 0~4. 5MPa·πι1/2,提高了 5%之多，所以由本发明提供的方法制备的 SiC陶瓷材料适用于高温工业炉，具有良好的商业价值。
【具体实施方式】
[0012] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0013] 实施例1 :
[0014] (1)研磨：首先将3 %的金属硅粉和6 %的碳纤维混合研磨。
[0015] (2)混合：再分别加入65 %的粒径为45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒径为3~ 5微米的碳化硅粉，11 %的炭黑，在搅拌机中预混0. 5小时，外加上述干粉质量1. 2%的木质 素磺酸钙和适量的水，搅拌8小时后，取出浆料。
[0016] (3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模 具，10小时后开模，放入烘箱，70°C烘24小时。
[0017] (4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3~5毫米的金 属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1350°C，保温3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反 应合成碳化硅晶须。再升温到1900°C，保温2小时后随炉降温。
[0018] 经检测，断裂韧性为5. 2MPa·m1/2。
[0019] 实施例2:
[0020] (1)研磨：首先将5 %的金属硅粉和4%的碳纤维混合研磨。
[0021] (2)混合：再分别加入65 %的粒径为45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒径为3~ 5微米的碳化硅粉，11 %的炭黑，在搅拌机中预混0. 5小时，外加上述干粉质量1 %的木质素 磺酸钙和适量的水，搅拌6小时后，取出浆料。
[0022] (3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模 具，6小时后开模，放入烘箱，50°C烘20小时。
[0023] (4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3~5毫米的金 属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1400°C，保温2小时，在坯体中碳纤维和硅粉反 应合成碳化硅晶须。再升温到1550°C，保温4小时后随炉降温。
[0024] 经检测，断裂韧性为5. 5MPa·m1/2。
[0025] 实施例3:
[0026] (1)研磨：首先将4 %的金属硅粉和5 %的碳纤维混合研磨。
[0027] (2)混合：再分别加入65 %的粒径为45~75微米的碳化硅粉，15 %的粒径为3~ 5微米的碳化硅粉，10%的炭黑，在搅拌机中预混0. 5小时，外加上述干粉质量1. 5%的木质 素磺酸钙和适量的水，搅拌10小时后，取出浆料。
[0028] (3)注浆成型：将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模 具，6小时后开模，放入烘箱，50°C烘20小时。
[0029] (4)烧成：首先将上述烘干后的坯体放入石墨干埚中，埋入粒度为3~5毫米的金 属硅。在真空炉中，真空度小于2Pa，升温到1400°C，保温3小时，在坯体中碳纤维和硅粉反 应合成碳化硅晶须。再升温到1700°C，保温3小时后随炉降温。
[0030]经检测，断裂韧性为5. 3MPa·m1/2。
[0031] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
【主权项】
1. 一种真空反应烧结高初性碳化娃陶瓷的方法，其特征在于使用的颗粒级配的原料通 过与水混合、注浆成型W及真空烧结工序制成的； (1) 原料的颗粒级配和组成 45~75叫TiSiC粉合巧 60~65 粒化 3~卽mSiC粉合量 15~2Q 3~5畔1 金属Si粉含量 3~5 碳纤维含量 4~6 炭黑營量 8~15 外加 木质素横酸巧结合剂 1~1.5% W上均为质量百分含量； (2) 先将金属娃粉和碳纤维混合研磨，然后配成浆料注入石膏模后在真空度小于9kPa 脱模，烘干然后放入石墨巧巧中，在真空度小于Wa条件下1350~140(TC合成SiC晶须，然 后再升温至1550~1900°C烧结。2. 按权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤是： (1) 研磨；首先将3~5%的金属娃粉和4~6%的碳纤维混合研磨； (2) 混合；再分别加入60~65%的粒径为45~75微米的碳化娃粉，15~20%的粒径 为3~5微米的碳化娃粉，8~15%的炭黑，在揽拌机中预混，外加上述干粉质量1~1. 5% 的木质素礙酸巧和适量的水，揽拌，取出浆料； (3) 注浆成型；将上述浆料放入真空压力罐中，经真空处理后将浆料注入石膏模具，真 空度小于9KPa，6~10小时后开模，放入烘箱，50~7(TC烘干； (4) 烧成；首先将上述烘干后的昆体放入石墨干巧中，埋入粒度为3~5毫米的金属 娃，在真空度小于2化真空炉中，，升温到1350~140(TC，使昆体中碳纤维和娃粉反应合成 碳化娃晶须，再升温到1550~190(TC，保温后随炉降温。3. 按权利要求2所述的方法，其特征在于： a) 步骤（2)所述的揽拌机预混时间0. 5~1小时；加入木质素礙酸巧后揽拌时间为 6~10小时； b) 步骤（3)在烘箱中烘干时间为20~24小时； C)步骤（4)埋入金属娃粉质量百分纯度为大于98% ; d) 步骤（4)所述的在1350~140(TC保温时间为2~3小时； e) 步骤（4)所述的升温到1550~190(TC保温时间为2~4小时。4. 按权利要求1所述的方法，其特征在于： a) 碳化娃粉纯度大于98.5% ; b) 金属娃粉纯度大于99. 3% ; C)碳黑的纯度大于99. 7%。
【专利摘要】本发明涉及一种真空反应烧结高韧性碳化硅陶瓷的方法，其特征在于采用颗粒级配原料组成外加1～1.5％木质素磺酸钙结合剂先混和，然后与水混合配料、注浆成型、真空烧结最终制得SiC陶瓷，所制备的SiC材料的断裂韧性KIC可以在5～5.6MPa·m1/2范围内可调，相对于普通SiC-B-C或SiC-A/N无压烧结的KIC＝3.0～4.5MPa·m1/2，提高了5％之多，适用于高温工业炉的使用，具有良好的商业价值。
【IPC分类】C04B35/81, C04B35/622, C04B35/565
【公开号】CN105367058
【申请号】CN201410418515
【发明人】陈海奕, 李建峰, 柯美亚, 顾燕
【申请人】上海柯瑞冶金炉料有限公司, 上海彭浦特种耐火材料厂有限公司, 上海海事大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2014年8月22日