专利名称：一种常压固相烧结微孔碳化硅陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种常压固相烧结微孔碳化硅(SiC)陶瓷及其制备方法，属于碳化硅陶瓷领域。
背景技术：
碳化硅陶瓷以其优异的高温稳定性、耐磨性、高的热导率而广泛应用于工业生产中。其中固相烧结的SiC陶瓷由于烧结助剂含量很低，晶界处不会残留较低熔点的物质，其物理化学性能具有高温稳定性，因此固相烧结的SiC陶瓷具有特殊的应用价值。通过微观结构设计在SiC陶瓷中引入球形微孔，可以改善材料的摩擦性能。这些独立的且不连通的 微孔均匀地分布于整个材料基体中，在材料的表面，球形微孔充当了流体或者润滑剂的存储体，帮助促进其在滑动界面处保持流体膜，从而其摩擦性能优于完全致密的固相烧结SiC陶瓷材料。专利CN03820968以α -碳化硅、二硼化锆、碳黑和硼为原料，以PMMA为成孔剂，以蜡、聚乙二醇或丙烯酸酯为粘合剂，制备了具有一定孔隙率的微孔碳化硅陶瓷烧结体。但是其原料种类繁多，不利于工业生产，本发明减少了原料的使用数量，使生产更加简便，同时以酚醛树脂弓I入碳黑，可以使碳的引入更加均匀。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种更加简便的获得具有高密度、高抗弯强度的微孔碳化硅陶瓷制备方法。本发明的基本思路是减少原料的使用数量，以酚醛树脂取代碳黑，酚醛树脂同时作为成型过程中的粘结剂，并引入球形PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)与SiC粉体均匀混合，通过高温烧结得到需要的SiC陶瓷材料。目的在于在保证材料的力学性能同时，在SiC陶瓷 材料表面及基体内部引入有规则的球形微孔以增强材料的摩擦性能，并同时改善碳在陶瓷基体内部的分布情况，以使碳分布更加均匀。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤I)以SiC粉体、B4C粉体、球形PMMA和酚醛树脂为原料，其中，以SiC粉体和B4C粉体的总重量为基准计，B4C占O. I Iwt 球形PMMA为SiC粉体和B4C粉体总重量的O. 5 5. 5wt%，酚醛树脂为SiC粉体和B4C粉体总重量的10-30wt% ；2)将所述原料配成固含量为40_45wt%的浆料，进行球磨混合；3)将球磨混合后的浆料烘干，再研磨粉碎后过筛，将得到的粉体干压成型；4)将成型后的样品真空脱粘后，在常压惰性气氛条件下烧结，烧结温度为1900-2300°C，保温时间为 l_2h。优选的，所述步骤I)中，以SiC粉体和B4C粉体的总重量为基准计，B4C占O. 5
O.52wt%;球形PMMA为SiC粉体和B4C粉体总重量的I 5. 2wt%，酚醛树脂为SiC粉体和B4C粉体总重量的10 10. 5wt%0
较佳的，所述SiC粉体的粒径为O. I I μ m。所述球形PMMA的平均分子量为50-100万。步骤2)中，所述浆料以无水乙醇为溶剂。较佳的，步骤2)中所述球磨混合以SiC球作为研磨球。为使粉体混合均匀并达到一定的细度，SiC粉体和B4C粉体的总重量与所述SiC球的重量比最优选为I : 2 ;球磨混合的时间以24小时为宜。步骤3)中，所述将球磨混合后的浆料烘干可采用常规的干燥方法，如将浆料在恒温箱中60-80°C烘干。步骤3)中，所述干压成型的压力为15-100MPa，优选为15_50MPa。 较佳的，步骤3)中，于所述干压成型后还进行等静压处理，所述等静压的压力为190-210MPa，优选为 200MPa。步骤4)中，所述真空脱粘是指在真空条件下脱除粘结剂，粘结剂的脱除方法采用本领域内的常规方法。步骤4)中,所述惰性气氛为Ar气气氛。本发明还进一步公开了由上述制备方法所获得的碳化硅陶瓷。所述碳化硅陶瓷的密度为2. 90-3. 08gcm_3，抗弯强度为250_450Mpa，其摩擦性能优于完全致密的碳化硅陶瓷。本发明以酚醛树脂引入碳黑，可以使碳的引入更加均匀，同时以酚醛树脂作为成型过程中的粘结剂，并以球形PMMA作为成孔剂，制备了固相烧结微孔碳化硅陶瓷。该陶瓷材料不但具有良好的摩擦性能，并且具有较高的密度及抗弯强度。本发明减少了原料的使用数量，使生产更加简便。
图I含微孔SiC陶瓷和致密SiC陶瓷的摩擦系数与时间的关系；图2PMMA球的形貌；图31wt% PMMA含微孔的SiC陶瓷表面(100倍);图41wt% PMMA含微孔的SiC陶瓷表面(200倍)。图55wt% PMMA含微孔的SiC陶瓷表面(200倍)。
具体实施例方式实施例I将SiC粉体 96. 5g (粒径 O. I I μ m)、烧结助剂 B4C (O. 5wt%)0. 5g、酚醛树脂 10g、PMMAlg (粒径小于60 μ m，如图2)混合，配成固含量为45wt%的浆料(溶剂为酒精)，以SiC球194g为球磨介质，混合24h，然后在恒温箱中80°C烘干为止。然后研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛后，得到的粉体在平板硫化机上16MPa压力成型，然后在200MPa压力下等静压。真空脱粘后在常压Ar气气氛下烧结，烧结温度为2100°C，保温时间为lh，得到的SiC陶瓷密度为3. 07gcm_3，抗弯强度为350. 8MPa，其微观结构如图3和4所示。本实施例所得SiC陶瓷与完全致密的常压固相烧结SiC摩擦性能比较如图I所示，从图中可以看出加入Iwt % PMMA的含有微孔的SiC陶瓷摩擦性能优于致密的SiC陶瓷。
实施例2将SiC粉体 96. 5g (粒径 O. I I μ m)、烧结助剂 B4C (O. Iwt %) O. 5g、酚醛树脂 10g、PMMA 5g(粒径小于60 μ m，如图2)混合，配成固含量为45wt %的浆料(溶剂为酒精)，以SiC球194g为球磨介质，混合24h，然后在恒温箱中80°C烘干为止。然后研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛后，得 到的粉体在平板硫化机上50MPa压力成型，然后在200MPa压力下等静压。真空脱粘后在常压Ar气气氛下烧结，烧结温度为2150°C，保温时间为2h，得到的SiC陶瓷密度为2. 90gcm_3，抗弯强度为307MPa，其微观结构如图5所示。本实施例所得SiC陶瓷的摩擦性能与完全致密的常压固相烧结SiC陶瓷摩擦性能比较如图I所示,从图中可以看出加入5wt% PMMA微孔SiC陶瓷摩擦性能优于加入lwt%PMMA的微孔SiC陶瓷，但是力学性能有所降低。
权利要求
1.一种固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤 1)以SiC粉体、B4C粉体、球形PMMA和酚醛树脂为原料，其中，以SiC粉体和B4C粉体的总重量为基准计，B4C占O. I I % ;球形PMMA为SiC粉体和B4C粉体总重量的O. 5 5. 5%，酚醛树脂为SiC粉体和B4C粉体总重量的10-30% ； 2)将所述原料配成固含量为40-45wt%的浆料，进行球磨混合； 3)将球磨混合后的浆料烘干，再研磨粉碎后过筛，将得到的粉体干压成型； 4)将成型后的样品真空脱粘后，在常压惰性气氛条件下烧结，烧结温度为1900-2300°C，保温时间为 l_2h。
2.如权利要求I所述的固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述SiC粉体的粒径为O. I I μ m。
3.如权利要求I所述的固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述球磨混合以SiC球作为研磨球。
4.如权利要求I所述的固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述干压成型的压力为15-100MPa。
5.如权利要求I所述的固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤3)中，于所述干压成型后还进行等静压处理。
6.如权利要求1-5中任一所述的固相烧结微孔碳化娃陶瓷的制备方法,其特征在于，所述等静压的压力为190-210MPa。
7.一种微孔碳化硅陶瓷，由权利要求1-6中任一所述的固相烧结微孔碳化硅陶瓷的制备方法制得。
8.如权利要求7所述的微孔碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅陶瓷的密度为.2. 90-3. 08gcnT3，抗弯强度为 250-450Mpa。
全文摘要
本发明提供了一种固相烧结微孔碳化硅陶瓷及其制备方法。碳化硅陶瓷的制备方法包括如下步骤1)以SiC粉体、B4C粉体、球形PMMA和酚醛树脂为原料；2)将所述原料配成固含量为40-45wt%的浆料，进行球磨混合；3)将球磨混合后的浆料烘干，再研磨粉碎后过筛，将得到的粉体干压成型；4)将成型后的样品真空脱粘后，在常压惰性气氛条件下烧结，烧结温度为1900-2300℃，保温时间为1-2h。所制得的陶瓷材料不但具有良好的摩擦性能，并且具有较高的密度及抗弯强度。
文档编号C04B38/00GK102765940SQ20111011463
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者刘学建, 陈健, 高剑琴, 黄政仁 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所