专利名称：一种提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高纳米碳化硅(SiC)浸渍浆料固含量的方法，更确切地说涉及制备纤维增强陶瓷基复合材料工艺中具有较好分散性，较高固含量的陶瓷浆料的制备，属于陶瓷基复合材料制备工艺领域。
背景技术：
高性能碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度，强度能够保持到1600℃，有很好的抗氧化性；同时SiC陶瓷具有高热传导率，耐酸碱腐蚀性，低膨胀系数，以及抗热震性好等，广泛应用于工业以及国防领域。但由于SiC陶瓷的脆性，而且无论是高温还是低温脆性都很大，因而限制了SiC材料的应用。
提高SiC材料的强度和韧性一直是材料工作者的努力的方向之一，纤维引入SiC陶瓷基体能够很好的提高SiC材料的断裂韧性。纤维增强SiC基复合材料已经广泛应用于航空、核工业和军事方面。目前，纤维增强SiC基复合材料的制备工艺主要有化学气相渗透、有机前驱体浸渍与裂解、反应烧结以及热压烧结。各种方法都各有优缺点。随着高性能的纤维研制成功，使得热压烧结制备连续纤维增强SiC基复合材料得以发展，与有机前驱体浸渍与裂解结合起来已制备出高致密性，性能优越的复合材料。有机前驱体浸渍与裂解结合热压烧结工艺制备纤维增强SiC基复合材料是一种利用SiC有机前驱体与SiC粉体配成料浆，然后在一定条件下进行浸渍，最后通过热压烧结成材料。该工艺需要制备低粘度，固相含量较高，稳定的SiC浆料，特别是对于制备三维纤维编制体增强SiC基复合材料的制备对浆料性能有更严格的性能要求。遗憾的是目前对于提高浸渍浆料固含量的方法的研究还很有限。
为了提高SiC基体的烧结性能，有效的保护纤维在制备复合材料的过程中不受损伤，往往，在用有机前驱体浸渍与裂解结合热压烧结工艺中应该在保证材料性能的基础上，尽量降低烧结温度，而纳米SiC由于表面活性非常高，可望促进基体的致密化，因而能够降低基体材料的烧结温度。纳米SiC是由一定数目的原子组成的原子群，颗粒表面原子既无长程有序又无短程有序的非晶层(主要是氧化物)，由于颗粒表面与体积的比例增大，导致了纳米粒子特殊的表面效应和体积效应。表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的减少而急剧增大而引起性质上的变化。由于粒径的减小，表面原子数增加，导致表面能的迅速增加。对于体积效应影响，一方面主要是熔点降低，随着粒径的减小，纳米粒子的表面能和表面结合能迅速增大，因而熔点降低；另一方面是活性表面的出现。由于表面原子周围缺少相邻的原子，因而有许多悬空键，具有不饱和性质，随着纳米粒子中表面原子数的增加而出现活性表面。纳米粒子之间的静电作用力、范德华力、毛细管力等较弱的相互作用力显得越来越重要，形成颗粒之间的软团聚。当颗粒尺寸＜50nm时，颗粒之间的范德华力非常强，这是粒子之间形成软团聚体，另一方面，随着粒径的增加，粒子的比表面积增加，在粒子之间易形成化学键而加剧软团聚。因而制备纳米粒子的浆料需要加入一定量的分散稳定剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高纳米SiC浸渍浆料固含量的方法，具体而言，本发明旨在提供一种以有机溶剂作为分散介质，在2Pa·S低粘度的条件下，提高纳米SiC浆料固含量的方法。
本发明旨在传统的制浆基础上，在保证料浆具有低粘度和稳定性的前提下进一步提高料浆的固含量，本发明的具体步骤为
1.将市售地置纳米SiC粉(40～300纳米)在有机介质中球磨混料5-10分钟，加入或不加入分散剂条件下，在真空烘箱中，于70～120℃条件下干燥，主要目的是防止纳米粉在真空处理时粉料损失和对真空炉的污染；所述的有机介质为酒精或二甲苯；使用的分散剂为聚碳硅烷(PCS)，使用量为20-50wt％；2.干燥后的粉料，用200目筛子过筛使粉料粒径≤75μm；3.将过好筛的粉料，在真空(约20Pa-10-3Pa)，温度为250℃-1000℃，保温时间为3-10分钟条件下进行热处理；将不同处理条件的纳米SiC在有机介质中，通过球磨的方式充分分散，待稳定后进行粘度性能测试；为了对比，分别应用干燥处理、未经干燥处理以及不同热处理温度的粉料配成料浆测试其性能。
本发明提供的提高固含量，低粘度的纳米SiC料浆性能以及优缺点叙述不同温度处理对纳米SiC粉料的影响不同，干燥时SiC颗粒之间的聚集程度较大，而通过500℃热处理的纳米SiC的聚集程度仍较低，并没有大的聚集颗粒，使得SiC颗粒更容易分散，而处理温度为1000℃以上时，颗粒之间发生一定的化学接触，使得SiC颗粒之间不容易被分散(如图1所示)，所以严格控制热处理温度是十分重要的。250℃-1000℃热处理时所得到的料浆的粘度最低，而经过1000℃以上处理的纳米SiC粉料料浆的粘度比其它情况都要高，而在400℃～600℃时尤为最佳。由此可见，纳米SiC料浆经过中温处理时得到的纳米SiC料浆的性能最优，可以在传统方法配制料浆的基础上进一步提高固相含量。
图1是不同处理温度时纳米SiC粉体的形貌(a，为70℃，b为500℃，c为1200℃)。
图2是15Vol％固含量纳米SiC料浆的粘度与热处理温度的关系。
图3是不同处理温度下不同纳米SiC固含量以及不同PCS含量对粘度的关系。
图4是不同处理温度固含量为10vol％时料浆的流变曲线。
图5是不同处理温度固含量为25vol％时料浆的流变曲线。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步说明利用本发明提供的方法，可获得性能流变性能较好的纳米SiC料浆，但本发明绝非仅限于实施例实施例1用酒精作为纳米SiC料浆的分散介质，分别用原始粉，70℃干燥、500℃，800℃和1200℃热处理5分钟的纳米SiC，在不加分散剂的情况下配成固含量为15vol％的料浆，所得到的料浆的粘度如图2。从图可知500℃的纳米SiC料浆的粘度最低，提高温度或降低温度，料浆的粘度有所提高；而未处理的原始纳米SiC的粘度最高。400-600℃均呈现出低粘度。
本实施例中所述的纳米SiC原始粒径为40-300纳米；所述的干燥是在真空烘箱中70℃条件下干燥，且干燥后过200目筛，使粒径≤75μm，所述500、800℃及1200℃热处理条件是在20Pa-10-3Pa条件下，5分钟热处理粉料。
实施例2用二甲苯作为纳米SiC料浆的分散介质，分散剂选用聚碳硅烷(PCS)，选用的纳米SiC的处理温度分别为70℃干燥，500℃，分别在不同的固含量的流变性能如图3，从图可知随着分散剂PCS的增加，料浆的粘度降低，同时无论固含量的高低，在纳米SiC经过500℃处理时，料浆的粘度最低，在PCS含量为30wt％时12.5Vol％固含量与10Vol％固含量的粘度相近，所以经过500℃的纳米SiC可以在原来的基础上提高料浆的固含量。其余同实施例1，只是在热处理温度下保温10分钟。
实施例3用二甲苯作为溶剂，分别用120℃和500℃热处理，加入30wt％的PCS对料浆作粘度测试，如图4、5所示当固含量较低时，浆料的流变性能变化不大，而当固含量增加到25vol％时，500℃处理的料浆的流变性能要优于120℃的流变性能，从而可知热处理可以更好的提高固含量浆料的流变性能。
其余同实施例1。
通过以上3个实施例的不同组合，可以清楚地看出本发明所述地方法十分简单而有效，经干燥后粉料，在20Pa-10-3Pa条件下于250-1000℃温度处理，所得粉料配成料浆，在同样的体积百分含量下，使粘度和剪切率达最低，从而有望提高纳米SiC浸渍浆料固含量。
权利要求
1.一种提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于所述的方法工艺步骤是(a)将纳米SiC粉，在酒精或二甲苯溶液中球磨湿混，然后在真空烘箱中于70-120℃干燥并过筛；(b)步骤(a)干燥后制得的粉料在真空条件下250-1000℃热处理。
2.按权利要求1所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于所述的纳米SiC粉的颗粒尺寸范围为40-300纳米；湿混5-10分钟；真空干燥后过筛，粉料粒径为≤75μm。
3.按权利要求1或2所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于湿混时，加入或不加入分散剂；使用的分散剂为聚碳硅烷，加入量为20-50wt％。
4.按权利要求1或2所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于所述的干燥后粉料热处理真空度为20Pa-10-3Pa，热处理时间5-10分钟。
5.按权利要求3所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于所述的干燥后粉料热处理时真空度为20Pa-10-3Pa，热处理时间5-10分钟。
6.按权利要求1或2所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于真空条件下热处理温度为400-600℃。
7.按权利要求3所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于真空条件下热处理温度为400-600℃。
8.按权利要求4所述的提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于真空条件下热处理温度为400-600℃。
全文摘要
一种提高纳米碳化硅浸渍浆料固含量的方法，其特征在于(1)将纳米SiC粉，在酒精或二甲苯溶液球磨湿混，然后在真空烘箱中于70－120℃干燥并过筛；(2)步骤(1)干燥后制得得粉料在真空条件下250－1000℃热处理，热处理时间5－10分钟，最佳处理温度为400－600℃，在较高固含量条件下具有较好的流变性能。在湿温时使用有机溶剂为酒精或二甲苯，湿混时加入或不加入分散剂，使用的分散剂为聚碳硅烷，加入量为20－50wt％。
文档编号C04B35/626GK1673186SQ20051002453
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月23日 优先权日2005年3月23日
发明者丁玉生, 董绍明, 江东亮 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所