碳化硅注浆成型烧结方法与流程

本发明涉及一种碳化硅的制备方法。
背景技术：
：碳化硅材料以优异的高温强度、高热导率、高耐磨性和耐腐蚀性在国防航空、航天、汽车、机械、电子、生物、能源、化工等工业领域得到广泛应用。研究表明：陶瓷材料微观结构的均一性及力学、电学等物理性能的可靠性主要是由材料中缺陷的多少和尺寸以及不均匀程度决定，而这些缺陷和不均匀结构往往是在材料烧结之前的制造阶段-成型阶段所产生的。因而要获得性能优异、可靠性高的陶瓷制品，成型是关键工序之一。技术实现要素：本发明的目的是提供一种碳化硅注浆成型烧结方法，采用碱洗的方式对碳化硅粉体进行改性，并加入cmc作为分散剂，al2o3和y2o3作为烧结助剂，采用注浆成型烧结技术制作碳化硅。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种碳化硅注浆成型烧结方法，包括如下步骤：一、碳化硅浆体的制备（1）碳化硅粉体的预处理：采用碱洗的方式对碳化硅粉体进行改性，具体步骤如下：将碳化硅粉末与去离子水按比例混合（固体含量40～50wt%），然后用氨水调节碳化硅微粉ph在9~11之间并球磨碱洗10~15h，然后用抽滤机将碳化硅进行过滤，作为备用；（2）助烧剂的制备：将氧化铝和氧化钇按照摩尔比3：2的比例进行混合，然后将其放入行星球磨罐中，按照球料比为20：1加入陶瓷磨球球磨，使氧化铝和氧化钇粉末充分混合，球磨完毕后将其过滤、干燥，得到混合均匀的氧化铝-氧化钇粉末混合物；（3）行星球磨机进行浆料球磨：将改性碳化硅粉体和助烧剂放入行星球磨罐中，加入分散剂（羧甲基纤维素）、蒸馏水，并用氨水调节ph达到9~11，加入陶瓷磨球球磨，得到浆料，所述助烧剂加入量为改性碳化硅粉体、助烧剂、分散剂总质量的6~12%，分散剂加入量为改性碳化硅粉体、助烧剂、分散剂总质量的0.2%；（4）浆料陈腐10~15h；二、注浆成型、脱模、烘干将浆料倒入预制石膏模型中，室温下放置20~40min，然后脱模、烘干，得到碳化硅坯体；三、无压烧结（1）将碳化硅坯体置于真空管式炉中，在1000~1400℃、的条件下无压烧结1~3h，得到碳化硅；（2）将碳化硅坯体置于真空热压炉中，在1600~2000℃的条件下无压烧结1~3h。本发明采用碱洗的方式对碳化硅粉体进行改性，并加入cmc作为分散剂，al2o3和y2o3（摩尔比3：2）作为烧结助剂制作碳化硅注浆成型浆料，注浆成型并烧结，对烧结完成的碳化硅试件进行形貌表征，得出如下结论：1、6wt%烧结助剂碳化硅在1200℃、1400℃、1800℃烧结，1800℃下碳化硅的二次重排效果最好，缝隙与气孔率也最小，烧结效果最好。2、烧结温度为1800℃时，烧结助剂含量分别为8wt%和10wt%时，10wt%烧结助剂的碳化硅试件穿晶断裂的情况减少，表面更加平整。附图说明图1为碳化硅注浆成型烧结工艺流程图；图2为烧结温度1000℃的烧结温度曲线；图3为烧结温度1200℃的烧结温度曲线；图4为烧结温度1400℃的烧结温度曲线；图5为6wt%烧结助剂1000℃下保温2h碳化硅试件；图6为6wt%烧结助剂碳化硅1000℃保温2hxrd衍射图谱；图7为6wt.%助烧剂碳化硅在保温2h不同烧结温度下表面sem显微形貌，(a)1200℃，(b)1400℃，（c）1800℃；图8为不同比例烧结助剂烧结助剂碳化硅试件在1800℃下表面sem显微形貌，（a）8wt%高倍，（b）8wt%低倍，（c）10wt%高倍，（d）10wt%低倍。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。本发明提供了一种碳化硅注浆成型烧结方法，如图1所示，具体制备步骤如下：一、石膏模具的制作1、试件模具的选择本发明中，碳化硅注浆成型难以制作体积较大的实心试件，因为制备的浆料在干燥过程中内部的水分很难被石膏模吸收，而且碳化硅在干燥过程中的收缩量较大，会导致试件在干燥过程中变形或者开裂。而且试件在干燥过程中由内到外存在一定的干燥梯度，导致干燥完的试件表面产生裂纹。因此选择制作厚度较小的片状试件，试件的模具也选择厚度较小的片状的木质模具作为试件的模具。2、石膏模具的制作流程将石膏粉与去离子水按照2：1的比例进行混合，然后将混合好的石膏液注入矩形模具中，在室温下让石膏液自然干燥10min后将选择好的试件模具放在石膏模具上，用力按压，将试件模具按进石膏模具表面，由于制作的是厚度较小的片状试件，按压时要平衡用力，防止试件槽左右深浅不同而导致试件的厚度不均匀，试件模具按压完成之后，留好起模斜度并做好铸造浇口和出气孔，接着在石膏模具表面铺上一层薄塑料，再重新制作石膏液，然后将制作完成的倒入模具中，室温下干燥25min后将石膏模小心取出并分开，将试件模具小心取出，并对模具表面以及试件的模型进行修整，然后将石膏模具室温干燥12h备用。二、碳化硅浆料的制备：1、国产亚微米级碳化硅粉体的预处理：对国产亚微米级碳化硅微粉进行碱洗处理，将碳化硅粉末与去离子水按比例混合（固体含量45wt%），然后用氨水对碳化硅微粉ph进行调节（ph=10）并球磨碱洗12h，然后用抽滤机将碳化硅进行过滤，并多次清洗备用。2、助烧剂al2o3、y2o3粉体的制备：将氧化铝和氧化钇按照摩尔比3：2的比例进行混合，然后将其放入行星球磨罐中，按照一定球料比例加入陶瓷磨球，设定转速300r/min球磨30min，让氧化铝和氧化钇粉末充分混合，球磨完毕后将其过滤，置于真空干燥箱中进行干燥，得到混合均匀的氧化铝和氧化钇粉末混合物。3、行星球磨机进行浆料球磨：将预处理完毕的国产亚微米级碳化硅微粉和制备完成的氧化铝氧化钇粉末放入行星球磨罐中，再加入分散剂羧甲基纤维素、蒸馏水，并用氨水调节ph（ph=10），磨球选择陶瓷磨球，球料比3：1，转速选择300r/min，球磨24h后将浆料取出。4、浆料的陈腐：经过粗练或真空炼泥的泥料在一定的温度和湿度的环境中放置一段时间，这个过程称为陈腐或者闷料，陈腐的主要作用是：通过毛细管的作用使泥料中的水分更加均匀分布；陶瓷颗粒充分水化，从而提高塑性。通过发生一些氧化与还原反应使泥料松散而均匀，经过陈腐后可提高坯体的强度，减少烧成的变形机会。注浆泥料陈腐后，促使粘度降低，流动性和空浆性能都可改善。本发明浆料陈腐12h。三、注浆成型：泥浆注入模具后，在石膏模毛细管力的作用下吸收泥浆中的水，靠近模壁的泥浆中的水分首先被吸收，泥浆中的颗粒开始靠近，形成最初的薄泥层。水分进一步被吸收，其扩散动力为水分的压力差和浓度差，薄泥层逐渐变厚，泥层内部水分向外部扩散，当泥层厚度达到注件厚度时，就形成雏坯。将制作完成的碳化硅浆料小心倒入石膏模具中，并每隔3min注浆一次，直至石膏模具的试件模型被填满，注浆结束。本发明中所选取的注浆成型的原料配比如表1所示，6wt%助烧剂碳化硅试件不同烧结温度制备试件原料配比如表2所示。表1注浆用碳化硅浆料各组分配比试样1试样2试样3试样4sic（wt.%）93.891.889.887.8al2o3与y2o3（wt.%）681012cmc（wt.%）0.20.20.20.2表26wt%助烧剂碳化硅试件不同烧结温度制备试件原料配比试样5试样6试样7试样8sic（wt.%）93.893.893.893.8al203与y2o3（wt.%）6666cmc（wt.%）0.20.20.20.2烧结温度（℃）1000120014001800四、试件脱模：将制作好的碳化硅浆料倒入事先制作好的石膏模具中，室温下放置30min，依靠石膏模具的吸水性将浆料中的水分吸收得到含水量相对较小的坯体，把石膏模具上半部分小心取下，将坯体取出后并对其外形进行修整。五、烘干：将修整好的碳化硅坯体放入真空干燥箱中进行干燥，去除碳化硅坯体中的剩余水分，本发明是将碳化硅坯体放在40℃的真空干燥箱中干燥12h后备用。六、无压烧结：无压烧结是一种常规的烧结方法，它是指在常压下，通过对制品加热而烧结的一种方法，这是目前最常用，也是最简单的一种烧结方式。注浆完成的碳化硅坯体中还含有少量的有机物和分散剂，对其进行低温无压烧结，使用真空管式炉对碳化硅坯体进行烧结，室温20℃，设定管式炉升温速率为10℃/min，升温时间58min，保温时间30min，降温速率设定为10℃/min，降温时长58min，然后将试件取出。将4组试件分别在1000℃、1200℃、1400℃、1800℃保温120min，待炉温下降到室温将试件取出，准备测试。无压烧结1000℃、1200℃、1400℃在真空管式炉中完成，无压烧结1800℃在真空热压炉中完成。1、碳化硅试件在真空管式炉中的无压烧结将烧结温度为1000℃的试件标号为1，然后将试件按照顺序放置在坩埚上，打开真空管式炉炉门并对真空管式炉内壁进行擦拭与打磨，然后将承载试件的坩埚放入真空管式炉的烧结段，将炉芯和炉门关闭并将炉门螺丝拧紧，然后打开电源，将气泵打开，待压力表的示数降低到0pa时并将真空管式炉的电源打开，待数据稳定后，将程序设定键打开，开始设定程序。设置真空管式炉的起始温度c-01为20℃，升温速率设定为10℃/min，所以将升温时间t-01设定为98min，设置烧结温度c-02为1000℃，保温时间t-02设定为120min，保温结束温度c-03为1000℃，降温速率为10℃／min，将t-03设置98min，将c-04设置为20℃。程序编辑结束，然后运行程序，待程序结束，接着把机器按照关机顺序关闭，将与气泵相连的炉门上的阀门关紧，然后将泵关闭，然后打开两个炉门，将试件取出。图2为烧结温度为1000℃的烧结温度曲线。将烧结温度为1200℃的试件标号为2，然后按照以上要求进行操作，然后开始设定程序。设置真空管式炉的起始温度c-01为20℃，升温速率设定为10℃／min，所以将升温时间t-01设定为118min，设置烧结温度c-02为1200℃，保温时间t-02设定为120min，保温结束温度c-03为1200℃，降温速率为10℃/min，将t-03设置为118min，将c-04设置为20℃。程序编辑结束，然后运行程序，待程序结束，接着把机器按照关机顺序关闭，将与气泵相连的炉门上的阀门关紧，然后将泵关闭，然后打开两个炉门，将试件取出。图3为烧结温度为1200℃的烧结温度曲线。将烧结温度为1400℃的试件标号为3，然后按照以上要求进行操作，然后开始设定程序。设置真空管式炉的起始温度c-01为20℃，升温速率设定为10℃/min，所以将升温时间t-01设定为138min，设置烧结温度c-02为1400℃，保温时间t-02设定为120min，保温结束温度c-03为1400℃，降温速率为10℃/min，将t-03设置为138min，将c-04设置为20℃。程序编辑结束，然后运行程序，待程序结束，接着把机器按照关机顺序关闭，将与气泵相连的炉门上的阀门关紧，然后将泵关闭，然后打开两个炉门，将试件取出。图4为烧结温度为1400℃的烧结温度曲线。2、碳化硅试件在真空热压炉中的无压烧结将两个6wt%助烧剂烧结温度1800℃的试件标号为4和5，将8wt%助烧剂烧结温度1800℃的试件标号为6，将10wt%助烧剂烧结温度1800℃的试件标号为7，将12wt%助烧剂烧结温度1800℃的试件标号为8，将这五个试件放置在陶瓷皿上，将真空热窑炉炉体封闭，然后打开水泵，将真空泵打开，并按照说明打开和关闭机械泵和扩散泵，设定烧结温度和时间，待烧结结束后，按照操作规程，关闭机器、扩散泵和机械泵，最后关闭水阀，待炉体冷却至室温，将试件取出，按照标号将试件分别装入试样袋中。七、实验结果及分析1、碳化硅注浆成型待测试样（1）烧结完成的碳化硅试件图5为烧结完成的6wt%烧结助剂真空管式炉烧结1000℃下保温2h碳化硅试件，其直径为30mm，厚度为3mm。（2）物相分析图6为6wt%烧结助剂碳化硅1000℃保温2h的xrd衍射图谱。从图中可以明显看出，烧结完成的碳化硅试件中的主要几种物质分别为sic、y2o3和aln，aln的存在是因为试件中的部分氨气与烧结助剂中的al2o3发生了反应。浆料中的氨水未除尽导致aln的产生。2、试件显微形貌分析（1）试件显微形貌分析从图7中可以明显看出，随着温度的增加碳化硅的晶粒大小逐渐增加，这是因为随着烧结温度的增加，试件中的液相量增加，而液相量的粘度降低，粘度较低的液相可以填补烧结过程中的晶粒之间缝隙，碳化硅表面的气孔率也有明显下降使试件中晶粒可以长大。从图8中可以看出当碳化硅试件的烧结温度为1800℃时，试件随着助烧剂的质量百分比的增加，穿晶断裂的情况减少，表面形貌的到极大改善。当前第1页12