以颗粒级配粉体为原料制备致密固相烧结碳化硅的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种W颗粒级配粉体为原料制备致密固相烧结碳化娃的方法。
【背景技术】
[0002] 固相烧结碳化娃陶瓷具有高溫强度高、热导率高、耐化学腐蚀性优异等特点。1975 年，Prochazka等首次W棚和碳作为烧结助剂实现了碳化娃陶瓷的致密化。自此，在固相烧 结SiC陶瓷的研究与生产的过程中，所用的均为原料亚微米级或纳米级的SiC粉体，廉价的 微米级SiC粉体从未使用过，运导致了如下不足： 1) 由于亚微米粉或纳米粉，粒径小，比表面积大，表面能高，烧结活性强，在高溫条件下 (2050~2200°C )，烧结样品中易出现晶粒的异常生长而出现较大尺寸的晶粒，尤其是在无 压烧结的条件下，使得样品的强度和初性等力学性能恶化。为了解决运个问题，通常采取热 压烧结或两步烧结法，但是热压烧结不利于大尺寸或复杂形状样品的制备；而两步烧结法 则难已控制，且烧结时间长； 2) 由于亚微米粉或纳米粉比表面积大，在浆料中容易存在团聚，会增加浆料的粘度。 在固相烧结碳化娃陶瓷的湿法成型中，包括注浆成型与凝胶注模成型，要求浆料具有低粘 度、高固含量。全部使用亚微米级或纳米级SiC粉作为原料，即使在分散剂（如四甲基氨 氧化锭或聚丙締亚胺）的作用下，在满足良好流动性的前提条件下，体积固化量难W超过 SOvol % ； 3) 亚微米级或纳米级SiC粉制备过程复杂，价格远高于微米级SiC粉体，全部使用亚微 米级或纳米级SiC粉作为原料，不利于固相烧结碳化娃陶瓷的低成本化生产。
[0003] 颗粒级配后，均匀分散于细粉中，由于微米级粉体，烧结活性低，在烧结过程可W 起到钉扎作用，阻碍晶界迁移，避免得到晶粒的异常生长，得到小晶粒且尺寸均匀的晶粒 结构，从而得到力学性能优异的固相烧结碳化娃陶瓷。另外，通过颗粒级配的方式可W解 决高固含量、低粘度浆料的制备问题，例如Valamakanni等（Velamakanni B V, Lange F F. Effect of interparticle potentials and sedimentation on particle packing density of bimod曰I particle distributions during pressure fiItr曰tion. J Am Ceram Soc 1991 ;74:166-72.)观察到含 60wt. %粗粉（I. 3 y m)和 40wt. %细粉 〇). 5 y m)的二元 级配氧化侣粉体的浆料粘度比全细粉的浆料低50 %;谢志鹏等灯i Z，Xie Z，化ang Y，Ma J, Cheng Y. Study on gelcasting and properties of recrystallized silicon carbide. Ceram Int 2002;28:369-76.)通过颗粒级配的方式，制备出了体积固含量高达75vol%的 SiC浆料，用于重结晶碳化娃的凝胶注模成型。最后，廉价的微米级SiC粉体的引入，可显著 降低固相烧结碳化娃陶瓷的生产成本。
[0004] 本发明针对在固相烧结碳化娃陶瓷的制备过程中全部使用亚微米级或纳米级SiC 粉体而导致的问题，提出一种W颗粒级配的粉体为原料制备致密固相烧结碳化娃的方法。
【发明内容】
阳〇化]在此，本发明提供一种W颗粒级配粉体为原料制备致密固相烧结碳化娃的方法， 所述方法是将含有颗粒级配碳化娃粉体和烧结助剂的复合粉体经成型、烧结制备致密固相 烧结碳化娃陶瓷，其中，颗粒级配碳化娃粉体包括：微米级碳化娃粉体、W及亚微米级碳化 娃粉体和/或纳米级碳化娃粉体，所述微米级碳化娃粉体与所述亚微米级碳化娃粉体和/ 或纳米级碳化娃粉体的质量比为（2~0.05) :1。
[0006] 本发明通过低成本的微米级粉体的引入，降低固相烧结碳化娃陶瓷的生产成本； 并提高巧体的密度，减少收缩，有利于减少大尺寸样品的烧结变形或开裂；另外，利用微米 级粉体的低烧结活性，发挥钉扎作用，阻碍烧结过程中晶粒异常长大，进而改善性能；此外， 微米级粉体团聚少，在注浆或凝胶注模等湿法成型中，颗粒级配粉的使用便于制备低粘度、 高固含量的浆料。
[0007] 较佳地，所述微米级碳化娃粉体的中位粒径为1. 0~50. 0 ym，所述亚微米级碳化 娃粉体的中位粒径为0. 1~1. 0 ym，所述纳米级碳化娃粉体的中位粒径为5皿~100皿。 [000引较佳地，所述烧结助剂为BaC粉和/或棚粉、W及碳粉，其中所述BaC粉和/或棚粉 占所述颗粒级配碳化娃粉体的质量的0.1 wt. %~3. Owt. %，碳粉，所述碳粉占所述颗粒级 配碳化娃粉体的质量的0. 5wt. %~7wt. %。
[0009] 较佳地，所述成型的方法包括干压成型、注浆成型或凝胶注模成型。
[0010] 较佳地，在所述注浆成型或所述凝胶注模成型中，陶瓷浆料的粘度为0.1~ 2化? S，体积固含量为50~60VOl %。
[0011] 较佳地，所述烧结的烧结溫度为2000~2200°C，烧结时间为0. 5~3小时，烧结气 氛为氣气。
[0012] 本发明中，所制得的致密固相烧结碳化娃陶瓷的烧结线性收缩率为12%~20%， 体积密度为3. 08~3. 18g/cm3。
[0013] 本发明中，所制得的致密固相烧结碳化娃陶瓷的抗弯强度为360~450MPa，断裂 初性为3. 6~4. SMPa ? mi々。
[0014] 本发明中，所制得的致密固相烧结碳化娃陶瓷的晶粒为等轴，粒径均匀，大小与微 米级粉体的尺寸一致。
[0015] 本发明的优点在于： (1) 本发明采用廉价的微米级SiC粉体作为固相烧结碳化娃陶瓷的主要原料之一，可 显著降低生产成本； (2) 本发明可W提高巧体的密度，减少收缩，有利于减少大尺寸样品的烧结变形或开 裂； (3) 本发明可抑制固相烧结碳化娃陶瓷中的异常晶粒长大，得到等轴、细小、尺寸均匀 的晶粒，改善力学性能； (4) 本发明在湿法成型的过程中可显著降低浆料粘度，有利于高固含量浆料的制备。
【附图说明】
[0016] 图1 (a)为实施例1得到的致密固相烧结碳化娃陶瓷的微观结构照片（放大倍率 为 500); 图1(b)为实施例1得到的致密固相烧结碳化娃陶瓷的微观结构照片（放大倍率为 2000)O
【具体实施方式】
[0017] W下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式 仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0018] 本发明是一种W颗粒级配粉体为原料制备致密固相烧结碳化娃的方法，通过向亚 微米和/或纳米SiC粉体中加入微米级SiC粉，混合后得到颗粒级配的SiC粉体，之后向颗 粒级配粉体中加入烧结助剂，经成型、烧结得到致密的固相烧结碳化娃陶瓷。本发明中，可 W采用微米、亚微米的两级粒度级配，微米、纳米的两级粒度级配，或者微米、亚微米、纳米 的=级粒度级配。烧结助剂包括但不限于BaC粉和/或棚粉、与碳粉的组合。
[0019] 更具体地，作为示例，本发明可W包括W下步骤： (1)将微米级SiC粉体与亚微米级和/或纳米级SiC粉体均匀混合，得到颗粒级配的粉 体； 似向步骤（1)得到的颗粒级配的粉体中加入占其质量的0.1 wt. % -3. Owt. % B4C粉 和/或棚粉、0. 5wt. % -7wt. %碳粉，得到复合粉体； (3) 将步骤（2)中的复合粉体进行成型，得到生巧； (4) 将步骤（3)中的生巧转移至炉中，升溫烧结得到致密固相烧结碳化娃陶瓷。
[0020] 所述的微米级SiC粉体的中位粒径可为1. 0~50. 0 ym ;所述的亚微米级SiC粉 体的中位粒径可为0. 1~1. 0 y m ;所述的纳米级粉体为中位粒径可为5nm~lOOnm。
[0021] 所述的微米级SiC粉与亚微米级和/或纳米级SiC粉体的质量比可为（2~0. 05): Io
[0022] 所述的成型方法包括干压成型、湿法成型，其中湿法成型包括但不限于注浆成型、 凝胶注模成型等。在湿法成型的情况下，由于在原料中加入了微米级粉体，其团聚少，因此 可W显著降低浆料粘度，提高固含量。本发明中，陶瓷浆料的粘度可为0. 1~2Pa ? S，体积 固含量可为50~60vol%。
[0023] 所述的烧结溫度可为2000~2200°C，烧结时间可为0.