一种高韧性碳化硅陶瓷及其低温烧结工艺的制作方法
【专利说明】一种高韧性碳化硅陶瓷及其低温烧结工艺
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，特别是一种高韧性碳化硅陶瓷及其低温烧结工艺。
【背景技术】
[0003]碳化硼(B4C)是一种不固定化学配比共价键化合物，具有开放多型晶体结构。其比重轻、强度大、硬度仅次于金刚石和立方氮化硼、熔点高、中子吸收性强。上述特点使碳化硼陶瓷成为潜在重要结构候选材料，尤其适合用作轻装甲和核反应堆屏蔽材料。碳化硼是性能极为优异的材料，但因为其共价键结构，自扩散系数小，烧结极为困难。传统的碳化硼陶瓷大都通过温度高达2200°C?2300°C热压、热等静压和常规烧结获得。热压烧结的温度需在2000°C以上，热压设备结构复杂、价格昂贵、不易控制；热压制品形状单一，热压烧结陶瓷不易实现规模生产，生产效率低，产品报废率高，能耗高，对装备的技术要求很高，直接造成生产成本居高不下。而热压和热等静压技术还只是人们探索新材料的一种研宄手段而已，基本不能实现产业化和规模生产。
[0004]
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明公开了一种高韧性碳化硅陶瓷及其低温烧结工艺，通过在陶瓷中添加的YAG粉体，实现陶瓷在低温条件下烧结，陶瓷材料结构致密，致密度达到98%以上，并具有良好的断裂韧性，断裂强度提升至6.5MPa以上，并且具有生产工艺简单，设备要求较传统工艺降低，能耗明显降低的优点。
[0006]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的原料组成包括(以重量份数计):α -碳化硅100份；碳化硼0.3-1.2份；YAG粉3-10份，其中YAG粉的粒度为D50彡6.0微米。本发明通过在碳化硅陶瓷中采用YAG粉体为原料的一种，而无需对YAG进行预先处理，利用YAG的优良的烧结性能，从而可以明显地降低陶瓷烧结温度，降低陶瓷生产的设备要求和能耗(在高温状态下每提高一度都需要提供更为巨量的能源，这是公知)，并且形成液相烧结，有助于降低孔隙率，提高致密度机械性能。
[0007]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的一种改进，α -碳化硅的粒度为D50 < 0.5微米。
[0008]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的一种改进，碳化硼的粒度为D50 ( 3.0微米。
[0009]本发明通过采用不同粒度的原材料，原料的熔点越高其相应的粒度则越小，从而达到平衡粒度对粉末材料熔融的影响以及材料熔点之间的关系，从而促进液相烧结界面液相的形成，不仅仅提高了烧结效率，还有利于提高原料的均化效率和致密度，减少孔隙缺陷的出现，从而提尚机械性能和广品的合格率。
[0010]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的一种改进，原料经水基球磨制备，其中水基球磨时添加占原料总质量百分数16-20%的PVA水溶液，PVA水溶液的浓度为10 (wt)%。本改进通过添加适量的PVA水溶液，不仅仅可以起到粘结剂的作用，还可以在在一定程度上作为碳源，而且PVA作为一种极性材料，溶于水溶液，对环境污染小，易降解，并且与陶瓷原材料表面具有良好的亲和力，改善研磨时各原料粉体之间的相容性，促进材料粉体互容均化。
[0011]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的一种改进，原料经水基球磨制备，其中水基球磨时还添加占原料总质量百分数0.05-0.5%的分散剂。
[0012]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的低温烧结工艺，低温烧结工艺包括如下步骤:混料球磨、喷雾干燥、干压成型、低温烧结，
其中低温烧结为在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1850-1900°C，炉内温度达到烧结温度后保温烧结时间为l_2h，氩气在高温真空炉预热至1500°C时充入。这里在低于1500°C的低温下烧结时采用真空烧结，有利于促进坯料中挥发分(包括成型剂)的挥发，从而有利于避免形成孔洞缺陷，有利于形成致密结构，过早充入则会影响挥发分的挥发还会带走热量增加烧结成本；而在1500°C以上的高温环境下冲入氩气，可以在炉体内形成热循环，促进热量传递，保证炉体内温度均匀一致，提高烧结效率，有利于产品的烧结直迷糊。同时有利于保护炉膛，延长使用寿命。
[0013]本发明通过采用低温烧结工艺，在陶瓷的烧结温度上得到显著的降低，从而不仅仅能够节约烧结能源，降低能耗，在1900°C的超高温环境下，每提高一度都需要额外提供巨量的热量，降低对设备的要求(超高温设备的成本同样高昂)，同时还具有烧结时间短，生产效率高的优点。
[0014]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的低温烧结工艺的一种改进，混料球磨为将原料α -碳化硅、碳化硼、YAG粉混合后，进行水基球磨，球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)45-50%，球磨时间l-3h。
[0015]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的低温烧结工艺的一种改进，混料球磨时，球磨浆料中还添加有占原料总质量百分数0.05-0.5%的分散剂。
[0016]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的低温烧结工艺的一种改进，干压成型为将喷雾干燥得到的粒度D50为0.10-0.20mm的造粒料，在150-200MPA压力干压成型。
[0017]本申请采用液相烧结技术，以一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂(本申请为YAG粉)，在高温下形成液相，使体系的传质方式由扩散传质变为粘性流动，降低了致密化所需能力和烧结温度，使得碳化硅陶瓷的烧结温度由2000°C降低至1850-1900°C，从而明显地降低烧结对设备的要求和能耗，并且能够极大地降低气孔率和晶粒尺寸，提升陶瓷致密度至98%以上。同时本发明烧结工艺导致陶瓷材料组织结构上的变化，使得晶粒组织结构转变为晶粒细小、均匀量等轴晶状，同时在陶瓷组织中引入晶界液相和界面结合弱化，使得本发明陶瓷材料的断裂变为完全沿晶断裂模式，从而显著地提高了材料的强度和韧性。同时无原料单质硅，在陶瓷中不存在游离硅，故而应用范围广，耐腐蚀性好。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]下面结合【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0020]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的原料组成包括(以重量份数计):α -碳化硅100份；碳化硼0.3-1.2份；YAG粉3-10份，其中YAG粉的粒度为D50彡6.0微米。本发明通过在碳化硅陶瓷中采用YAG粉体为原料的一种，而无需对YAG进行预先处理，利用YAG的优良的烧结性能，从而可以明显地降低陶瓷烧结温度，降低陶瓷生产的设备要求和能耗(在高温状态下每提高一度都需要提供更为巨量的能源，这是公知)，并且形成液相烧结，有助于降低孔隙率，提高致密度机械性能。
[0021]作为一种优选，α -碳化硅的粒度为D50 ^ 0.5微米。
[0022]作为一种优选，碳化硼的粒度为D50 ( 3.0微米。
[0023]本发明通过采用不同粒度的原材料，原料的熔点越高其相应的粒度则越小，从而达到平衡粒度对粉末材料熔融的影响以及材料熔点之间的关系，从而促进液相烧结界面液相的形成，不仅仅提高了烧结效率，还有利于提高原料的均化效率和致密度，减少孔隙缺陷的出现，从而提尚机械性能和广品的合格率。
[0024]作为一种优选，原料经水基球磨制备，其中水基球磨时添加占原料总质量百分数16-20%的PVA水溶液，PVA水溶液的浓度为10 (wt) %。本改进通过添加适量的PVA水溶液，不仅仅可以起到粘结剂的作用，还可以在在一定程度上作为碳源，而且PVA作为一种极性材料，溶于水溶液，对环境污染小，易降解，并且与陶瓷原材料表面具有良好的亲和力，改善研磨时各原料粉体之间的相容性，能够有效保障粉体在浆料中分散的均匀性，促进材料粉体互容均化，同时PVA的挥发分少，对烧结有利。
[0025]作为一种优选，原料经水基球磨制备，其中水基球磨时还添加占原料总质量百分数0.05-0.5%的分散剂。
[0026]本发明公开的高韧性碳化硅陶瓷的低温烧结工艺，低温烧结工艺包括如下步骤:混料球磨、喷雾干燥、干压成型、低温烧结，
其中低温烧结为在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1850-1900°C，炉内温度达到烧结温度后保温烧结时间为l_2h，氩气在高温真空炉预热至1500°C时充入。
[0027]本发明通过采用低温烧结工艺，在陶瓷的烧结温度上得到显著的降低，从而不仅仅能够节约烧结能源，降低能耗，在1900°C的超高温环境下，每提高一度都需要额外提供巨量的热量，降低对设备的要求(超高温设备的成本同样高昂)，同时还具有烧结时间短，生产效率高的优点。
[0028]作为一种优选，混料球磨为将原料α -碳化硅、碳化硼、YAG粉混合后，进行水基球磨，球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)45-50%，球磨时间l-3h。
[0029]作为一种优选，混料球磨时，球磨浆料中还添加有占原料总质量百分数0.05-0.5%的分散剂。
[0030]作为一种优选，干压成型为将喷雾干燥得到的粒度D50为0.10-0.20mm的造粒料，在150-200MPA压力干压成型。
[0031]本发明同一技术方案中每一重量份均采用统一的质量标准来计量，如克、千克以及吨等。
[0032]实施例1
本实施例中，陶瓷的原料组成为α -碳化硅100份；碳化硼0.3份；YAG粉5份，其中YAG粉的粒度为D50 ^ 6.0微米，上述原料经混料球磨、喷雾干燥、干压成型、低温烧结等工艺后得到烧结陶瓷，