氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法

氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，包括如下步骤：1）配制混合粉料；2）配制预混液；3）配制固化剂；4）坩埚素坯的制作，本发明的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法采用了硅酸乙酯和酸性硅溶胶为主的预混液，与含有二正丁胺的固化剂可在常温下即可发生固化，操作工艺简单，同时采用该预混液还避免了与混合粉料中硅粉发生水化反应，提高了产品的致密度；本发明的制作方法在制作过程中，在室温下干燥后可直接进行烧结，大大节约了能源和制作时间，且经室温干燥后的素坯具有一定的硬度，有效保证了制作完成的坩埚尺寸的精度。
【专利说明】
氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及无机非金属材料领域，具体涉及一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法。
[0002]【背景技术】
[0003]氮化硅结合碳化硅坩埚因具有优异的高温强度、抗热震性能和化学惰性，而在有色金属熔炼、稀土粉体热处理、锂离子电池电极材料合成等诸多领域有着广泛的应用。目前制作陶瓷坩埚的方法主要包括传统的振动注浆成型法和上世纪90年代发展起来的凝胶注模法。贾世恒在专利(申请号:201010529248.9)中采用了振动浇注成型、冷冻脱模法制备了氮化硅结合碳化硅大型坩埚，该专利公开的主要工艺包括配料、成型、烘干和烧成，其中成型时需要振动，脱模时须在液氮冷却到-170°C下进行，对设备条件的要求较高。王迎奎在专利(200910087303.0)中公开了一种采用复合多级熔融石英粉为原料，凝胶注模法制作石英陶瓷坩埚的技术。该技术的特点是通过控制石英粉体的粒度级配，获得组织结构均匀，孔隙率可控，具有优良抗热震和耐高温性能的石英坩埚。但是该方法存在一定的缺陷。首先，通过凝胶注模方法得到的陶瓷素坯，具有类似橡胶的弹性，而刚度较低，由于坩埚素坯的尺寸较大，所以在其彻底干燥之前因坩埚的自重变形就很难控制;其次，石英陶瓷浆料在抽真空除气的过程中，由于空气迅速排出，易导致浆料凝胶化提前进行，所以固化时间较难控制； 第三，采用凝胶注模方法制作熔融石英坩埚，通常需要在高湿度和室温条件下长期干燥至坯体不再发生显著收缩，然后才能在更高温度下进行干燥，因此干燥周期很长。综上所述， 探索制作陶瓷坩埚的新技术，依然是陶瓷材料成型领域的重要研究方向。
[0004]
【发明内容】

[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，包括如下步骤:1)配制混合粉料:所述的混合粉料是由粒度为lOym?10mi的碳化娃粉与粒度为lym? 1 OOwii的硅粉干法混合而成的，按混合粉料的总重量百分比100%计，其中，所述碳化硅粉占所述混合粉料的重量百分比大于50%且小于85%，所述硅粉占所述混合粉料总重量百分比的剩余量；2)配制预混液:所述预混液是由如下重量百分比的组分混合而成的:硅酸乙酯20%? 40%、无水乙醇20%?35%、异丙醇1.5%?3%、丙二醇甲醚8%?15%、酸性硅溶胶15%?25%、盐酸0.2% ?1%;3)配制固化剂:所述固化剂是由二正丁胺与无水乙醇按照重量比25?40:60?75的比例混合而成的；4)坩埚素坯的制作:将步骤2)中配制好的所述预混液及步骤1)中配制好的所述混合粉料按照投料质量比20: 80?50:50进行混合，混合均匀得到浆料，对所述浆料进行除泡处理， 而后加入步骤3)中配制好的固化剂，固化剂的投料质量为所述预混液质量的0.3?3%;之后将含有固化剂的浆料注入到模具中，在室温下固化、脱模得到素坯，之后将素坯置于氮气烧结炉内进行烧制得到所需的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。
[0007]这里，所采用的硅酸乙酯为纯度彡99%的硅酸乙酯;所采用的酸性硅溶胶的pH为3? 4,其质量固含量为30%，所含二氧化硅胶体粒子的粒径为10?15mm;无水乙醇的纯度多 99.5%;丙二醇甲醚的纯度多98%;异丙醇的纯度多99.5%;盐酸的纯度多99%;二正丁胺的纯度彡98.5%。
[0008]优选地，步骤4)中，素坯在氮气烧结炉内的具体烧制过程如下:将在室温下固化、 脱模后的素坯置于氮气烧结炉内，对氮气烧结炉抽真空至-0.〇1~-〇.〇5Mpa，温度从室温升至500 ± 30 °C，而后充入高纯氮气，当炉内压力升至+0 ? 03?+0 ? 05Mpa时，再次升温至1450 土 30°C，维持炉内氮气压力在+0.03?+0.05Mpa间，氮化50?60h，而后自然降温至500 ± 30°C，排气卸压后自然冷却至室温，从而得到所需的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。
[0009]优选地，步骤1)中，所述碳化硅粉占所述混合粉料的重量百分比的60%?75%，所述硅粉占所述混合粉料总重量百分比的剩余量。
[0010]优选地，步骤2)中，所采用的酸性硅溶胶的pH为3~4，其质量固含量为30%，所含二氧化娃胶体粒子的粒径为10?15mm。[〇〇11] 优选地，步骤3)中，所述的固化剂是由二正丁胺与无水乙醇按照重量比30:70的比例混合而成的。
[0012]优选地，步骤4)中所采用的模具为金属模具、塑料模具、玻璃模具、石膏模具、石墨模具、陶瓷模具中的一种。
[0013]优选地，步骤4)中，所述固化剂的投料质量为所述预混液质量的0.5%?2%。
[0014]优选地，步骤4)中，采用压差注入或常压注入方式将含固化剂的浆料注入到模具中。
[0015]由于上述技术方案的运用，本发明所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，与现有技术中以丙烯酰胺等有机物为单体的凝胶注模方法相比具有如下优点；1)本发明采用了以硅酸乙酯和酸性硅溶胶为主的预混液，与含二正丁胺的固化剂可以在常温下即可发生固化反应，发生反应的时间可根据固化剂与预混液的比例进行调整，固化时间的可控性保证了操作者能够预留出充分的时间来完成注模过程，同时无需对模具进行加热即可实现浆料的固化，操作工艺得到了简化；2)采用以硅酸乙酯为主的预混液，有效地避免了与粉料中硅粉发生水化反应，同时由于硅酸乙酯类有机结合剂表面能效较低，易于除气，使坩埚素坯中的气孔大为减少，提高了素坯的致密度；3)由于采用了以无水乙醇等挥发速率高于水的有机溶剂为分散介质，所以坯体干燥时不需要在高湿度和室温的条件下进行预干燥，而且还不需要在高于室温的烘箱中进一步干燥，直接进行烧结即可，节约了能源和制作时间；4)经室温干燥后得到的素坯，具有一定的硬度，在干燥过程中不会因重力的作用而发生变形，保证了坩埚尺寸的精度。【具体实施方式】
[0016]下面通过实施例对本发明做详细说明。[0〇17] 实施例1一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其制作步骤如下:1)配制混合粉料按照l〇〇kg粉料进行配料，称取65kg粒度为lOym?lOOwii的碳化娃粉、35kg粒度为lym? lOOwii的硅粉，装入混料机中进行干法混合，混合5h后获得用于制作坩埚的混合粉料，备用；2)配制预混液按照100kg预混液来进行配料，称取纯度彡99%的硅酸乙酯35kg，纯度彡99.5%的无水乙醇30kg，纯度彡99.5%的异丙醇2.5kg，纯度彡98%的丙二醇甲醚10kg，pH为3~4、质量固含量为30%、含二氧化硅胶体粒子的粒径为10?15mm的酸性硅溶胶22kg，纯度多99%的盐酸0.5kg， 而后将上述试剂加入到搅拌桶中，采用强力搅拌方式将上述化学试剂混合均匀得到所需的预混液，之后采用冷却的方式将预混液温度控制在7?11°C间，备用；3)配制固化剂按照10kg固化剂进行配料，称取纯度多98.5%的二正丁胺3kg，纯度多99.5%的无水乙醇 7kg加入到搅拌桶内进行混合均匀得到所需的固化剂，备用；4)坩埚素坯的制作取步骤2)配制好的预混液20kg置于带抽真空装置的球磨机中，而后加入步骤1)配制的混合粉料80kg，球磨混合12h，真空除气30min，而后加入步骤3)配制的固化剂100g，继续搅拌2min，之后采用常压注入或压差注入法注入到金属模具中，在室温下保持约30min，浆料固化制成素坯，素坯脱模后，放于水平的平台上，约12h后待素坯完全干燥，这里，在室温条件下固化得到的素坯其表面光洁、尺寸精确、素坯内部均匀性好且具有一定的硬度;把干燥好的素坯放入氮气烧结炉内，对氮气烧结炉进行抽真空至-〇.0IMPa—0.05 Mpa，从室温升至500°C，充入高纯氮气，使炉内压力升至+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，再次升温至1450°C，维持炉内氮气压力在+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，氮化50?60h，然后自然降温至500°C，排气卸压，再自然冷却至室温，即可获得氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。
[0018] 实施例2一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其制作步骤如下:1)配制混合粉料按照l〇〇kg粉料进行配料，称取70kg粒度为1 Own?lOOwii的碳化娃粉、30kg粒度为lym? 100M1的硅粉，装入混料机中进行干法混合，混合4h后获得用于制作坩埚的混合粉料，备用；2)配制预混液按照100kg预混液来进行配料，称取纯度多99%的硅酸乙酯40kg，纯度多99.5%的无水乙醇25kg，纯度彡99.5%的异丙醇2.3kg，纯度彡98%的丙二醇甲醚12kg，pH为3~4、质量固含量为30%、含二氧化硅胶体粒子的粒径为10?15mm的酸性硅溶胶20kg，纯度多99%的盐酸0.7kg， 而后将上述试剂加入到搅拌桶中，采用强力搅拌方式将上述化学试剂混合均匀得到所需的预混液，之后采用冷却的方式将预混液温度控制在7?11°C间，备用；3)配制固化剂按照l〇kg固化剂进行配料，称取纯度彡98.5%的二正丁胺2.7kg，纯度彡99.5%的无水乙醇7.3kg加入到搅拌桶内进行混合均匀得到所需的固化剂，备用；4)坩埚素坯的制作取步骤2)配制好的预混液35kg置于带抽真空装置的球磨机中，而后加入步骤1)配制的混合粉料65kg，球磨混合6h，真空除气20min，而后加入步骤3)配制的固化剂350g，继续搅拌 1.5min，之后采用常压注入或压差注入法注入到玻璃模具中，在室温下保持约20min，浆料固化制成素坯，素坯脱模后，放于水平的平台上，约18h后待素坯完全干燥;把干燥好的素坯放入氮气烧结炉内，对氮气烧结炉进行抽真空至.01MPa~-0.05 Mpa，从室温升至530°C， 充入高纯氮气，使炉内压力升至+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，再次升温至1420°C，维持炉内氮气压力在+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，氮化50?60h，然后自然降温至500°C，排气卸压，再自然冷却至室温，即可获得氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。
[0019]实施例3一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其制作步骤如下:1)配制混合粉料按照l〇〇kg粉料进行配料，称取75kg粒度为lOym?lOOwii的碳化娃粉、25kg粒度为lym? lOOwii的硅粉，装入混料机中进行干法混合，混合2h后获得用于制作坩埚的混合粉料，备用；2)配制预混液按照100kg预混液来进行配料，称取纯度多99%的硅酸乙酯30kg，纯度多99.5%的无水乙醇28kg，纯度彡99.5%的异丙醇2.3kg，纯度彡98%的丙二醇甲醚15kg，pH为3~4、质量固含量为30%、含二氧化硅胶体粒子的粒径为10?15mm的酸性硅溶胶24kg，纯度多99%的盐酸0.7kg， 而后将上述试剂加入到搅拌桶中，采用强力搅拌方式将上述化学试剂混合均匀得到所需的预混液，之后采用冷却的方式将预混液温度控制在7?11°C间，备用；3)配制固化剂按照l〇kg固化剂进行配料，称取纯度彡98.5%的二正丁胺3.5kg，纯度彡99.5%的无水乙醇6.5kg加入到搅拌桶内进行混合均匀得到所需的固化剂，备用；4)坩埚素坯的制作取步骤2)配制好的预混液50kg置于带抽真空装置的球磨机中，而后加入步骤1)配制的混合粉料50kg，球磨混合lh，真空除气5min，而后加入步骤3)配制的固化剂lOOOg，继续搅拌 lmin，之后采用常压注入或压差注入法注入到陶瓷模具中，在室温下保持约5min，浆料固化制成素坯，素坯脱模后，放于水平的平台上，约24h后待素坯完全干燥，这里，在室温条件下固化得到的素坯其表面光洁、尺寸精确、素坯内部均匀性好且具有一定的硬度;把干燥好的素坯放入氮气烧结炉内，对氮气烧结炉进行抽真空至-0.01MPa~-0.05 Mpa，从室温升至470 °C，充入高纯氮气，使炉内压力升至+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，再次升温至1450°C，维持炉内氮气压力在+0.03 Mpa?+0.05 Mpa，氮化50?60h，然后自然降温至470°C，排气卸压，再自然冷却至室温，即可获得氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。
[0020]这里所采用的模具还可以是塑料模具或玻璃模具或石膏模具或石墨模具。
[0021]采用本发明的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚模具的制作方法，能够生产高质量的各种尺寸、形状的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚，所制备得到的陶瓷坩埚的密度高、力学性能优良、抗热震性能好，使用寿命长，本发明在制作过程中所采用的陶瓷浆料在室温下即可固化，坩埚素坯干燥速度快，可达到氮化硅结合碳化硅坩埚净金尺寸成型的目的，其工艺简单、制作周期短、成本低廉，适于产业化应用。
[0022]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，包括如下步骤:1)配制混合粉料:所述的混合粉料是由粒度为1 Own?1 〇〇Mi的碳化娃粉与粒度为1_? 1 OOwii的硅粉干法混合而成的，按混合粉料的总重量百分比100%计，其中，所述碳化硅粉占 所述混合粉料的重量百分比大于50%且小于85%，所述硅粉占所述混合粉料总重量百分比的 剩余量；2)配制预混液:所述预混液是由如下重量百分比的组分混合而成的:硅酸乙酯20%? 40%、无水乙醇20%?35%、异丙醇1.5%?3%、丙二醇甲醚8%?15%、酸性硅溶胶15%?25%、盐酸0.2% ?1%;3)配制固化剂:所述固化剂是由二正丁胺与无水乙醇按照重量比25?40:60?75的比例 混合而成的；4)坩埚素坯的制作:将步骤2)中配制好的所述预混液及步骤1)中配制好的所述混合粉 料按照投料质量比20: 80?50:50进行混合，混合均匀得到浆料，对所述浆料进行除泡处理， 而后加入步骤3)中配制好的固化剂，固化剂的投料质量为所述预混液质量的0.3?3%;之后 将含有固化剂的浆料注入到模具中，在室温下固化、脱模得到素坯，之后将素坯置于氮气烧 结炉内进行烧制得到所需的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。2.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤4) 中，素坯在氮气烧结炉内的具体烧制过程如下:将在室温下固化、脱模后的素坯置于氮气烧 结炉内，对氮气烧结炉抽真空至-〇.01?.〇5Mpa，温度从室温升至500 ± 30°C，而后充入高 纯氮气，当炉内压力升至+〇 ? 03?+0 ? 05Mpa时，再次升温至1450 ± 30°C，维持炉内氮气压力在 +0.03?+0.05Mpa间，氮化50?60h，而后自然降温至500 ± 30°C，排气卸压后自然冷却至室温， 从而得到所需的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚。3.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤1) 中，所述碳化硅粉占所述混合粉料的重量百分比的60%?75%，所述硅粉占所述混合粉料总重 量百分比的剩余量。4.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤2) 中，所采用的酸性硅溶胶的pH为3~4,其质量固含量为30%，所含二氧化硅胶体粒子的粒径为 10?15mm〇5.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤3) 中，所述的固化剂是由二正丁胺与无水乙醇按照重量比30:70的比例混合而成的。6.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤4) 中所采用的模具为金属模具、塑料模具、玻璃模具、石膏模具、石墨模具、陶瓷模具中的一 种。7.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤4) 中，所述固化剂的投料质量为所述预混液质量的〇.5%?2%。8.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅陶瓷坩埚的制作方法，其特征在于，步骤4) 中，采用压差注入或常压注入方式将含固化剂的浆料注入到模具中。
【文档编号】C04B35/645GK105967692SQ201610328702
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】顾向欣
【申请人】顾向欣