一种基于预氧化处理低温烧结制备导电SiC陶瓷的方法

本发明属于陶瓷材料，尤其涉及一种基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法。

背景技术：

1、sic(碳化硅)是一种重要的工程结构陶瓷，具有高强度、高硬度、抗氧化、耐高温、耐腐蚀、耐辐照、高热导率、低热膨胀系数等优点，广泛应用于核燃料包壳管、核聚变堆包层材料、航空航天结构材料、热交换器、防弹片等领域。但由于sic陶瓷本身的高电阻率、高硬度和高脆性特征，使得传统的非导电sic陶瓷通常采用金刚石加工设备进行加工，导致加工复杂形状的sic陶瓷部件异常困难，且成本较高。而在结构陶瓷领域，通常对sic陶瓷的电性能无具体要求；为此，采用合适的方法把不导电sic陶瓷制备成导电sic陶瓷，可以在不影响其在结构陶瓷领域应用的同时，当sic变成导电陶瓷时，还可以采用电火花线切割技术对其开展精确和复杂形状的曲面加工，极大地降低了sic陶瓷的加工成本并提高了加工效率，有利于扩大sic陶瓷的工程应用。

2、导电sic陶瓷的制备方法主要有元素掺杂(al、b、n等)和添加导电第二相(如：zrb2、tin、tic等)。相比于添加导电第二相制备复相陶瓷，利用sic半导体特性实施的元素掺杂可最大限度的保持sic本身具有的优异特性。其中，n掺杂是制备导电sic陶瓷最常用的方法。n掺杂的本质是液相烧结sic陶瓷在氮气气氛中进行烧结，利用氮气在高温中溶解进液相的烧结助剂，sic晶粒在长大过程中吸收液相烧结助剂中的n，从而实现n掺杂导电sic陶瓷的制备。通常，液相烧结sic陶瓷所用的烧结助剂为稀土氧化物(y2o3、la2o3等)或稀土氧化物复合其他金属氧化物(如：y2o3-al2o3等)，虽然一定程度上降低了烧结温度，但它们制备导电sic陶瓷的烧结温度依然还都是≥1900℃，如此高的烧结温度极易引起sic陶瓷的异常晶粒长大，导致力学性能的衰减。因此，发展导电sic陶瓷的低温烧结技术对于制备高性能的导电sic陶瓷具有重要意义。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供了一种基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，所述方法不仅打破了现有的导电sic陶瓷烧结温度过高的技术瓶颈，还进一步提高了导电sic陶瓷的力学性能，因此适宜大规模工业应用，可推广使用。

2、本发明提出的一种基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，包括：

3、以稀土氧化物为烧结助剂，将sic粉和稀土氧化物混合后，先预氧化处理，控制预氧化处理后氧含量增重在0.6-1.2wt.％之间，再在氮气气氛下以低于1900℃的温度进行烧结处理，即得到所述导电sic陶瓷。

4、本发明中，将sic粉和稀土氧化物混合后，先进行预氧化处理，以便控制在sic粉末颗粒表面形成一层sio2涂层，基于sio2-稀土氧化物烧结助剂在较低的烧结温度(～1650℃)下即可以形成液相共晶以吸收氮气中的n元素，并且也能够实现致密化sic陶瓷的这两项特性，因此sic晶粒后续会在烧结过程中通过晶粒长大把氮溶解进sic晶格，形成有效的氮掺杂，使得sic陶瓷获得导电性能的同时，并且随着sic陶瓷致密化程度的增加，使得sic陶瓷获得较高的机械力学性能；

5、总的来说，本发明通过预氧化处理，严格地控制sic粉末中的sio2含量(即氧含量增重在0.6-1.2wt.％之间)，既能实现具有足够量的sio2与稀土氧化物有效共融，从而降低烧结温度，又能避免sio2含量过多对陶瓷性能产生不利影响(过高氧含量对陶瓷性能不利)；最终将本身对sic陶瓷性能有害的sio2相用于增强n掺杂并致密化陶瓷结构，从而实现了低温下高性能导电sic陶瓷的制备。

6、优选地，所述稀土氧化物为sc2o3、y2o3、la2o3、ceo2或lu2o3中的至少一种；

7、优选地，所述稀土氧化物为sc2o3。

8、优选地，所述sic粉的纯度为99％以上，其粒径为10-100nm；所述稀土氧化物的纯度亦为99％以上，其粒径为0.1-10μm。

9、优选地，所述稀土氧化物的用量是所述sic粉和稀土氧化物总质量的1-7wt.％。

10、优选地，所述“混合”具体包括：将sic粉和稀土氧化物加入球磨机中，再加入有机溶剂作为分散介质进行湿法球磨；

11、优选地，所述湿法球磨的转速为200-600r/min，球磨时间为4-12h；

12、优选地，所述有机溶剂为丙酮或乙醇。

13、优选地，所述“预氧化处理”具体包括：将混合后的粉末在空气气氛下，升温至500-700℃，保温1.5-3h。

14、优选地，所述“烧结处理”具体包括：将预氧化处理后的粉末加入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉中进行sps烧结；

15、优选地，所述sps烧结的升温速率为50-200℃/min，烧结温度为1700-1900℃，烧结压力为30-60mpa，烧结时间为1-10min。

16、本发明提出一种上述方法制备的导电sic陶瓷。

17、本发明还提出一种上述导电sic陶瓷在核燃料包壳管、核聚变堆包层材料、航空航天结构材料、热交换器或防弹片中的应用。

18、本发明提出的一种基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，通过将sic粉和稀土氧化物混合后，先进行预氧化处理得到预氧化的sic混合粉末，之后采用sps烧结方法得到导电sic陶瓷；这其中，通过空气气氛下严格的预氧化热处理，提高混合粉末中二氧化硅(sio2)含量以降低烧结温度的同时，也避免了过高氧含量对陶瓷性能的不利影响，最终实现了在降低烧结温度的同时制备出了高性能的导电sic陶瓷。

19、本发明所获得导电sic陶瓷的电阻率可满足电火花加工需求；致密度、硬度、弹性模量等性能与传统的液相烧结导电sic陶瓷相当；断裂韧性为4.09-7.86mpa·m1/2，优于传统的液相烧结导电sic陶瓷；最低烧结温度可低至1700℃，明显低于传统的液相烧结导电sic陶瓷的烧结温度(≥1900℃)。

技术特征：

1.一种基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述稀土氧化物为sc2o3、y2o3、la2o3、ceo2或lu2o3中的至少一种；

3.根据权利要求1或2所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述sic粉的纯度为99％以上，其粒径为10-100nm；所述稀土氧化物的纯度亦为99％以上，其粒径为0.1-10μm。

4.根据权利要求1-3任一项所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述稀土氧化物的用量是所述sic粉和稀土氧化物总质量的1-7wt.％。

5.根据权利要求1-4任一项所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述“混合”具体包括：将sic粉和稀土氧化物加入球磨机中，再加入有机溶剂作为分散介质进行湿法球磨；

6.根据权利要求1-5任一项所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述“预氧化处理”具体包括：将混合后的粉末在空气气氛下，升温至500-700℃，保温1.5-3h。

7.根据权利要求1-6任一项所述基于预氧化处理低温烧结制备导电sic陶瓷的方法，其特征在于，所述“烧结处理”具体包括：将预氧化处理后的粉末加入石墨模具中，再置于放电等离子烧结炉中进行sps烧结；

8.一种权利要求1-7任一项所述方法制备的导电sic陶瓷。

9.一种权利要求8所述导电sic陶瓷在核燃料包壳管、核聚变堆包层材料、航空航天结构材料、热交换器或防弹片中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于预氧化处理低温烧结制备导电SiC陶瓷的方法，所述低温烧结制备导电SiC陶瓷的方法包括：以稀土氧化物为烧结助剂，将SiC粉和稀土氧化物混合后，先预氧化处理，控制预氧化处理后氧含量增重在0.6‑1.2wt.％之间，再在氮气气氛下以低于1900℃的温度进行烧结处理，即得到所述导电SiC陶瓷。本发明所述方法不仅打破了现有导电SiC陶瓷烧结温度过高的技术瓶颈，还进一步提高了导电SiC陶瓷的力学性能，因此适宜大规模工业应用，可推广使用。

技术研发人员：李华鑫,罗自强,杨富荃,沈伟健,闾川阳,李亚飞,王亚峰,郑勇,魏连峰,贺艳明,杨建国
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5