一种高强度碳化硅陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于碳化硅陶瓷制备领域，具体涉及一种高强度碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、干气密封是利用气体进行密封的新型轴端密封技术，是一种非接触密封，有着极为广泛的应用。干气密封的动环长期工作在高压的工作环境，对材料的强度、韧性、耐腐蚀性和摩擦系数有着极高的要求。碳化硅陶瓷作为一种工业上常用的特种陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损、抗热震等优良特性，因此被应用于石油、化工、机械、电子、航天航空等诸多领域。碳化硅陶瓷材料化学性能稳定，但有着韧性差、易碎的问题，制约着其在干气密封动环中的应用，通过改良烧结手段等方式来加强碳化硅陶瓷密封材料的力学性能成为这一领域未来的发展方向。工业上，碳化硅陶瓷密封材料主要通过反应烧结和无压烧结的方式来进行制备，前者主要通过高温条件下碳源、硅源的化学反应生成碳化硅材料，致密度较低，同时有着多余的硅残留；而后者无压烧结主要是在常压条件下通过高温将碳化硅粉体烧结为致密的碳化硅材料，由于烧结难度较高，需要在原料中加入一定的烧结助剂促进烧结过程中的传质过程。两种烧结技术制备的碳化硅陶瓷密封材料都存在强度低的问题，制约着其在干气密封领域的应用。

2、随着烧结技术的不断发展，碳化硅陶瓷的烧结技术由反应烧结、无压烧结向热压烧结发展。热压烧结是碳化硅粉体构成的坯体加热烧结在加热烧结过程的同时，沿着轴向通过机械作用对坯体施加一定的外部压力，为整个烧结过程提供额外的驱动力，使得坯体快速完成致密化，实现烧结和成型过程的同步进行。由于外压力提供了额外的烧结驱动力，热压烧结相较于无压烧结，碳化硅材料实现致密化所需的温度、时间以及烧结助剂的用量能得到显著降低，同时碳化硅陶瓷的整体力学性能也有了明显的提升。因此，热压烧结是一种高性能碳化硅陶瓷材料的高效制备方法，对碳化硅陶瓷材料的发展非常重要的研究意义和工程价值。

3、目前，关于热压烧结制备高强高韧碳化硅陶瓷材料已有相关报道。cn202011027381.4公开了一种高韧性热压烧结碳化硅密封环及其制备方法，主要采用为碳化硅，聚乙烯醇，麦芽糖，竹炭粉，铬粉，氧化铝、碳酸钡、滑石粉、硅灰石和膨润土为原料，主要是通过引入矿物成分来降低碳化硅陶瓷的成本，最终碳化硅陶瓷的强度仅为550mpa。cn202011027381.4公开了一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法，以液相的形式引入碳化硼作为烧结助剂，并热压烧结制备高纯度、高导热性的碳化硅陶瓷材料，致密度为99.59％，热导率为165.6w/(m·k)，该工艺需要高压，压力达80mpa。cn201810164824.0公开了一种高致密度高纯度碳化硅衬底材料的制备方法，以β-碳化硅和α-碳化硅为原料，不加烧结助剂，采用热压烧结制备相对密度达98％的高纯碳化硅陶瓷，但相关的力学性能指标未见报道。cn201710917024.7公开了一种高热导液相烧结碳化硅陶瓷及其制备方法，以碳化硅粉体为原料，氧化铈、氧化钇、氧化铒为烧结助剂，采用热压烧结制备高热导液相烧结碳化硅陶瓷，其热导率在150w/(m·k)，未见抗折强度相关指标报道。

4、cn113511899a的发明《耐磨碳化硅陶瓷制备方法及其应用》，其采用的是无压烧结，在氩气的保护下进行无压烧结，烧结温度为1650～1700℃，保温2.5～3.5小时后缓慢降温到1350～1450℃，冷却即成。其涉及的原料为：以质量份数计，取α-sic微粉95～99份、烧结助剂0.4～1份加入100～105份去离子水中，混合均匀，再加入分散剂2.5～4份、成型剂0.3～0.8份、粘结剂0.1～0.9份，混合均匀，得研磨混合料。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种能提高碳化硅陶瓷室温强度的高强度碳化硅陶瓷及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种高强度碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

3、1)、设配主原料：

4、主原料由以下含量的成分组成：80～95wt％亚微米α-碳化硅微粉，1～7wt％的氧化铝，1～8wt％的氧化钇，1～3wt％聚乙二醇，1～2wt％聚乙烯醇；

5、说明：亚微米α-碳化硅微粉为基体，氧化铝和氧化钇混合作为烧结助剂，聚乙二醇作为分散剂，聚乙烯醇作为粘结剂；

6、2)、料浆制备：

7、按主原料：去离子水＝1：1～1.5的重量比，将主原料加去离子水进行球磨分散，制备获得水基料浆；

8、3)、喷雾造粒：

9、将步骤2)所得的水基料浆进行喷雾造粒，制备获得陶瓷造粒粉(球形的陶瓷造粒粉)；

10、4)、热压烧结：

11、将步骤3)所得的陶瓷造粒粉进行热压烧结，获得高强度碳化硅陶瓷。

12、作为本发明的高强度碳化硅陶瓷的制备方法的改进：所述步骤3)的喷雾造粒为：水基料浆进速40～60ml/min，热风进口温度为250～300℃，出口温度为70～90℃，离心雾化器调数为40～70hz。

13、作为本发明的高强度碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：所述步骤4)的热压烧结为：以10～20℃/min的升温速率升温至保温温度，而后在保温温度下保温60±5min；保温温度为1900～2000℃(优选1950～2000℃)，施加的初始外压力为10～20mpa，保温阶段外压力为30～40mpa。

14、作为本发明的高强度碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进，所述步骤4)中：

15、将步骤3)所得的陶瓷造粒粉(球形的陶瓷造粒粉)装入热压烧结炉的石墨模具中进行热压烧结；

16、保温结束后，经过冷却、脱模，得到高强度碳化硅陶瓷。

17、作为本发明的高强度碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：

18、所述步骤3)中：优选料浆进速40ml/min，热风进口温度280℃，出口温度86℃，离心雾化器调频率48hz；

19、所述步骤4)中：优选升温速率为10℃/min，保温温度范围为1950℃，施加的初始外压力为10mpa，保温阶段外压力为30mpa。

20、本发明还提供了利用上述任一方法制备而得的高强度碳化硅陶瓷。

21、本发明是一种结合了热压烧结和钇铝石榴石烧结助剂体系的碳化硅陶瓷材料的制备方法。本发明将球形造粒粉填满石墨模具，放入热压烧结炉中，伴随升温、保温过程，通过机械作用施加外压力，在烧结完成后脱模，经过加工，得到所需碳化硅陶瓷材料。

22、本发明在于采用热压烧结方法并结合钇铝石榴石烧结助剂体系，成功制备了一种高强度的碳化硅陶瓷材料。以氧化铝和氧化钇生成高温反应生成的钇铝石榴石作为烧结助剂，钇铝石榴石在高温条件下能够形成共熔液相，使得陶瓷粉体的传质方式由单纯的扩散转化为粘质流动，促进碳化硅陶瓷的烧结；同时，在烧结过程中通过机械作用施加外压力的方式提供了额外的烧结驱动力，降低碳化硅陶瓷烧结工艺难度，能够获得力学性能更高的高致密碳化硅陶瓷材料，在干气密封等特种陶瓷应用领域有着较高的实用价值。

技术特征：

1.一种高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤3)的喷雾造粒为：水基料浆进速40～60ml/min，热风进口温度为250～300℃，出口温度为70～90℃，离心雾化器调数为40～70hz。

3.根据权利要求2所述的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的热压烧结为：以10～20℃/min的升温速率升温至保温温度，而后在保温温度下保温60±5min；保温温度为1900～2000℃，施加的初始外压力为10～20mpa，保温阶段外压力为30～40mpa。

4.根据权利要求3所述的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤4)中：

5.根据权利要求4所述的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：

7.如权利要求1～6任一方法制备而得的高强度碳化硅陶瓷。

技术总结
本发明属于碳化硅陶瓷制备领域，具体涉及一种高强度碳化硅陶瓷及其制备方法。本发明的高强度碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：主原料由以下含量的成分组成：80～95wt％亚微米α‑碳化硅微粉，1～7wt％的氧化铝，1～8wt％的氧化钇，1～3wt％聚乙二醇，1～2wt％聚乙烯醇；将主原料加去离子水进行球磨分散，制备获得水基料浆；将水基料浆进行喷雾造粒，制备获得陶瓷造粒粉；将陶瓷造粒粉进行热压烧结，获得高强度碳化硅陶瓷。

技术研发人员：郭兴忠,邹畅,周渭良,郑浦,李志强
受保护的技术使用者：浙江东新新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17