一种硅化石墨及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及硅化石墨制备工艺技术领域，具体而言涉及一种硅化石墨及其制备方法。
【背景技术】
[0002]硅化石墨作为一种新颖的工程材料，体现了石墨和碳化硅两种材料的互补性。它不仅具有石墨的自润滑性、良好的导电导热性及抗热震性，还具有碳化硅的高硬度、抗氧化和耐化学腐蚀性等优点。硅化石墨的化学性质十分稳定，几乎耐各种酸碱腐蚀，并且可长期在1200°C以上的高温环境下工作，特别适合在重载、高温、辐射、腐蚀、大温度冲击等苛刻条件下使用。因此，硅化石墨材料越来越广泛的应用于核能、环保、国防、新能源、医疗器械、高温、腐蚀、催化等领域。
[0003]硅化石墨材料中硅化层的厚度及其与基体的结合强度是衡量硅化石墨产品质量的最主要条件之一。硅化石墨的制备方法主要有三种，即化学气相沉积法(CVD)、化学气相反应法(CVR)和液硅渗透反应法。化学气相沉积法(CVD)和化学气相反应法(CVR)制备的硅化石墨硅化层薄，与石墨基体结合强度差，硅化层很容易脱落，而且这两种方法的效率低下。液硅渗透反应法可制备毫米厚度的硅化层，但是此种方法尚未见专利及论文报道。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种硅化石墨及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0006]—种硅化石墨，其内部为渗硅石墨层，其表面为硅化层。
[0007]进一步，所述娃化层厚度为0.5_10mm。
[0008]进一步，所述硅化石墨的体积密度2 2.38g.cm—3，其硬度2 3000Hv，其抗压强度2300MPa，其抗折强度之150MPa，其抗拉强度之50MPa，其热膨胀系数< 4.4 X 10—6/°C，其孔隙率 <0.035%，其电阻率 <40μΩ.m0
[0009]另，本发明还提供一种硅化石墨的制备方法，在真空状态下，将石墨基料置于硅液中进行硅化处理，即得所述硅化石墨。
[0010]进一步，所述硅液纯度为99.9999 %。
[0011]进一步，所述硅化处理在恒温状态下进行，其硅化温度为1200-2500°c，其硅化时间为6_24h。
[0012]进一步，所述真空状态的真空度为10—3-l(T2Pa。
[0013]进一步，所述石墨基料为任意形状的石墨结构件。
[0014]进一步，所述石墨基料与硅液的重量份数比为:1-20: 40-100。
[0015]本发明对硅化温度和硅化时间进行优选，既能保证生成所述硅化层，又能有效避免硅化层的分解。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017]1、本发明所述的娃化石墨其致密度高，所述娃化层厚度为0.5-10mm且厚度可控，硅化层和渗硅石墨层结合强度高，组织结构均匀。
[0018]2、本发明所述的硅化石墨其导电导热性好，耐热性好，耐酸碱性好，氧化稳定性尚O
[0019]3、本发明所述的硅化石墨其机械性能良好且稳定。
[0020]4、本发明通过对硅化温度和硅化时间进行优选，有效调控硅化层的厚度以及α-SiC和β-SiC的比例，提高硅化石墨的热稳定性。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的剖面结构示意图。
[0022]附图中:渗硅石墨层1、硅化层2。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]实施例一:
[0025]如图1所示，一种硅化石墨，其内部为渗硅石墨层I，其表面为硅化层2。
[0026]所述硅化石墨的制备方法为:
[0027]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为I O—3Pa，自室温升温至1200°C，升温速率为10°C/min，此时，所述硅源转化为硅液，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1200°C条件下，恒温硅化6h，硅化反应完成后冷却至室温，SP得所述硅化石墨。
[0028]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40，所述石墨基料的形状设置为圆柱体，所述硅液纯度为99.9999 %。
[0029]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0030]硅化层2厚度0.5mm，体积密度2.38g.cm—3，硬度3000Hv，抗压强度300MPa，抗折强度150MPa，抗拉强度50MPa，热膨胀系数3 X 10—6/°C，孔隙率0.035%,电阻率18μ Ω.m，硅元素在硅化石墨中的原子比为30%，a-SiC相:β-SiC相= 1:1。
[0031]实施例二:
[0032]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0033]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为10°C/min，自室温升温至1200°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1200°C条件下，恒温硅化Sh，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0034]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40o
[0035]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0036]硅化层2厚度0.6mm，体积密度2.38g.cm—3，硬度3050Hv，抗压强度305MPa，抗折强度155MPa，抗拉强度55MPa，热膨胀系数3.1 X 10—6/°C，孔隙率0.035%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在娃化石墨中的原子比为30%，a-SiC相:β-SiC相=1:1。
[0037]实施例三:
[0038]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0039]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为10°C/min，自室温升温至1400°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1400°C条件下，恒温硅化6h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0040]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40，所述石墨基料的形状设置为圆锥体。
[0041 ]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0042]硅化层2厚度0.7mm，体积密度2.39g.cm—3，硬度3000Hv，抗压强度310MPa，抗折强度155MPa，抗拉强度55MPa，热膨胀系数3.1 X 10—6/°C，孔隙率0.002%，电阻率18μ Ω.m，硅元素在娃化石墨中的原子比为31%，a-SiC相:β-SiC相=1:1。
[0043]实施例四:
[0044]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0045]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为10°C/min，自室温升温至1400°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1400°C条件下，恒温硅化10h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0046]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40o
[0047]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0048]硅化层2厚度0.7mm，体积密度2.39g.cm—3，硬度3050Hv，抗压强度315MPa，抗折强度155MPa，抗拉强度60MPa，热膨胀系数3.3 X 10—6/°C，孔隙率0.002%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在娃化石墨中的原子比为31.5%，a-SiC相:β-SiC相=1:1。
[0049]实施例五:
[0050]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0051]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为10°C/min，自室温升温至1600°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1600°C条件下，恒温硅化6h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0052]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40o
[0053]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0054]硅化层2厚度0.8mm，体积密度2.39g.cm—3，硬度3100Hv，抗压强度320MPa，抗折强度160MPa，抗拉强度60MPa，热膨胀系数3.3 X 10—6/°C，孔隙率0.002%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在娃化石墨中的原子比为32%，a-SiC相:β-SiC相=1:1。
[0055]实施例六:
[0056]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0057]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为10°C/min，自室温升温至1600°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1600°C条件下，恒温硅化12h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0058]石墨基料与硅液的重量份数比为:20:40o
[0059]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0060]硅化层2厚度0.9mm，体积密度2.40g.cm—3，硬度3100Hv，抗压强度325MPa，抗折强度160MPa，抗拉强度62MPa，热膨胀系数3.4 X 10—6/°C，孔隙率0.002%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在娃化石墨中的原子比为32%，a-SiC相:β-SiC相=1:1。
[0061]实施例七:
[0062]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0063]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为20°C/min，自室温升温至1800°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1800°C条件下，恒温硅化6h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0064]石墨基料与硅液的重量份数比为:10:70，所述石墨基料的形状设置为正方体。
[0065]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0066]硅化层2厚度1.2mm，体积密度2.40g.cm—3，硬度3200Hv，抗压强度325MPa，抗折强度160MPa，抗拉强度65MPa，热膨胀系数3.4 X 10—6/°C，孔隙率0.003%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在硅化石墨中的原子比为32.4%，a-SiC相:β-SiC相= 1:2。
[0067]实施例八:
[0068]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0069]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa，升温速率为20°C/min，自室温升温至1800°C后，用机械手将石墨基料放入硅液中，在1800°C条件下，恒温硅化14h，硅化反应完成后冷却至室温，即得所述硅化石墨。
[0070]石墨基料与硅液的重量份数比为:10:70o[0071 ]该方法制备的硅化石墨性能如下:
[0072]硅化层2厚度1.3mm，体积密度2.41g.cm—3，硬度3200Hv，抗压强度330MPa，抗折强度164MPa，抗拉强度72MPa，热膨胀系数3.6 X 10—6/°C，孔隙率0.003%,电阻率20μ Ω.m，硅元素在硅化石墨中的原子比为32.8%，a-SiC相:β-SiC相= 1:2。
[0073]实施例九:
[0074]本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是:
[0075]将装有硅源的石墨舟皿和石墨基料，置于真空硅化设备中，硅化设备内部真空度为10—3Pa,升温速率为20°C/min，自室温升