專利名稱：碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有許多優(yōu)良特性，如耐磨性、高導(dǎo)熱性和電氣絕緣性、半導(dǎo)體性和電導(dǎo)性、耐熱、耐腐蝕以及高溫力學(xué)和熱學(xué)性能優(yōu)良等。碳化硅陶瓷已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、石油化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域以及國(guó)防工業(yè)，并被國(guó)際上確認(rèn)為自金屬、氧化鋁、硬質(zhì)合金以來(lái)的第四種基本機(jī)械密封材料。
但高純的碳化硅很難進(jìn)行致密化燒結(jié)，通常需要添加燒結(jié)助劑。燒結(jié)助劑一般常用的有B-C、Al-B-C、Al2O3、AlN-Y2O3，Al2O3-Re2O3等，Re為稀土元素的一種或幾種，其中最有效的燒結(jié)助劑是Al2O3-Y2O3，以釔鋁石榴石(Y3Al5O12，簡(jiǎn)稱YAG)為主要燒結(jié)助劑的碳化硅陶瓷，由于在較低的溫度下即可實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的碳化硅基陶瓷體系之一。
關(guān)于釔鋁石榴石作為燒結(jié)助劑制備碳化硅陶瓷的方法，在公開專利US 445238、CN1552664A等多篇公報(bào)中已經(jīng)公開。上述方法普遍采用機(jī)械共混法直接引入氧化鋁和氧化釔混合物，利用高溫下氧化鋁和氧化釔生成釔鋁石榴石來(lái)制備碳化硅復(fù)相陶瓷；上述方法存在著以下缺點(diǎn)混料不勻，導(dǎo)致燒結(jié)助劑在碳化硅基體中分布不均勻；且燒結(jié)溫度需要控制在1950℃以上，從而導(dǎo)致氧化鋁與碳化硅進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)，造成有效成分的流失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能改善碳化硅復(fù)相陶瓷燒結(jié)性能、從而提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能的碳化硅復(fù)相陶瓷制備方法。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復(fù)合粉體，先將復(fù)合粉體依次采用干壓預(yù)壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)；該復(fù)合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石；該復(fù)合粉體的制備過(guò)程包括以下步驟
1)、將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌8～12分鐘，所述釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，所述硝酸鋁和硝酸釔的重量之和與去離子水的重量比為2.5～7.7∶100；再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石，所述六次甲基四胺溶液與去離子水的重量比為0.25～1∶100；2)、在上述透明溶膠狀的釔鋁石榴石中加入碳化硅細(xì)粉，經(jīng)50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得到復(fù)合凝膠；3)、待上述復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時(shí)得到復(fù)合粉體。
作為本發(fā)明的碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法的改進(jìn)干壓預(yù)壓的壓力為100～180MPa，冷等靜壓終壓的壓力為200～250MPa；燒結(jié)溫度為1860℃～1900℃、時(shí)間為1～4個(gè)小時(shí)。
本發(fā)明的碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，屬于一種引入燒結(jié)助劑的碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，具體的說(shuō)，特別是溶膠-凝膠引入釔鋁石榴石的碳化硅陶瓷的制備方法。
本發(fā)明是發(fā)明人經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究、實(shí)驗(yàn)所獲得的。本發(fā)明采用無(wú)機(jī)鹽溶膠-凝膠法引入助燒劑釔鋁石榴石，實(shí)現(xiàn)了助燒劑與碳化硅基體的充分混合和均勻分布；并采用二步成型技術(shù)，在較低溫度下實(shí)現(xiàn)了復(fù)合粉體的致密化燒結(jié)。因此可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)械共混法的缺點(diǎn)；有效實(shí)現(xiàn)助燒劑成分均勻化，提高復(fù)合粉體的活性，降低了燒結(jié)溫度，改善了碳化硅陶瓷的燒結(jié)性能，提高了碳化硅陶瓷的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。依據(jù)本發(fā)明制得的碳化硅復(fù)相陶瓷，其密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強(qiáng)度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。


圖1是本發(fā)明過(guò)程中制得的復(fù)合粉體掃描電鏡照片；圖2是本發(fā)明最終制得的碳化硅復(fù)相陶瓷截面的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，依次進(jìn)行以下步驟(以下份數(shù)均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅(qū)體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌10分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為4份；再緩慢加入0.25份的六次甲基四胺溶液，在50℃混合攪拌15分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述8份透明釔鋁石榴石溶膠中加入92份碳化硅細(xì)粉，經(jīng)80℃水浴中攪拌15分鐘得到復(fù)合凝膠；3)、待上述復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理4小時(shí)得到碳化硅復(fù)合粉體，此復(fù)合粉體表觀形貌如圖1所示；4)、將上述復(fù)合粉體先采用100～180MPa干壓預(yù)壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，升溫至1860℃保溫4個(gè)小時(shí)，獲得碳化硅復(fù)相陶瓷。
該碳化硅復(fù)相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強(qiáng)度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
實(shí)施例2、一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，依次進(jìn)行以下步驟(以下份數(shù)均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅(qū)體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌8分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為2.5份；再緩慢加入0.5份的六次甲基四胺溶液，在35℃混合攪拌20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述5份透明釔鋁石榴石溶膠中加入95份碳化硅細(xì)粉，經(jīng)50℃水浴中攪拌30分鐘得到復(fù)合凝膠；3)、待上述復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2小時(shí)得到碳化硅復(fù)合粉體；4)、將上述復(fù)合粉體先采用100～180MPa干壓預(yù)壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，升溫至1900℃保溫1個(gè)小時(shí)，獲得碳化硅復(fù)相陶瓷。
該碳化硅復(fù)相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強(qiáng)度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。
實(shí)施例3、一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，依次進(jìn)行以下步驟(以下份數(shù)均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅(qū)體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌12分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為7.7份；再緩慢加入1份的六次甲基四胺溶液，在80℃混合攪拌10分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述15份透明釔鋁石榴石溶膠中加入85份碳化硅細(xì)粉，經(jīng)70℃水浴中攪拌20分鐘得到復(fù)合凝膠；3)、待上述復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理6小時(shí)得到碳化硅復(fù)合粉體；4)、將上述復(fù)合粉體先采用100～180MPa干壓預(yù)壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，升溫至1880℃保溫2個(gè)小時(shí)，獲得碳化硅復(fù)相陶瓷。
該碳化硅復(fù)相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強(qiáng)度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。
為了證明本發(fā)明方法所制得的碳化硅復(fù)相陶瓷性能的優(yōu)越性，發(fā)明人作了如下對(duì)比試驗(yàn)采用現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械共混法制備氧化鋁和氧化釔的混合物與碳化硅的重量比為8∶92，其中釔和鋁原子摩爾比為3∶5。
將氧化鋁和氧化釔直接加入到SiC粉體，去離子水為球磨介質(zhì)，機(jī)械球磨共混6小時(shí)，制備得到碳化硅復(fù)合粉體；復(fù)合粉體的成形采用180MPa干壓預(yù)壓，250MPa冷等靜壓終壓；將素坯放入真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，升溫至1950℃保溫1小時(shí)，獲得所需碳化硅陶瓷比較樣。其體積密度3.20g/cm3，硬度為22GPa，抗彎強(qiáng)度為450MPa，斷裂韌性為4.9·m1/2。
將本發(fā)明方法與對(duì)比試驗(yàn)方法所得的兩種碳化硅復(fù)相陶瓷進(jìn)行對(duì)比得到本發(fā)明即溶膠-凝膠法引入釔鋁石榴石制備的碳化硅復(fù)合粉體中，釔鋁石榴石的分布更為均勻，燒結(jié)溫度降低50℃～100℃，碳化硅陶瓷的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能更加優(yōu)越。這是因?yàn)椴捎萌苣z-凝膠法提前在碳化硅表面形成了釔鋁石榴石燒結(jié)助劑相，在釔鋁石榴石的液相線溫度(1760℃)就能形成液相，致密化碳化硅，而機(jī)械共混法需要在1760℃以上，氧化鋁和氧化釔才開始發(fā)生反應(yīng)生成釔鋁石榴石，并產(chǎn)生液相進(jìn)行致密化，因此只有在較高的溫度才能完成碳化硅致密化過(guò)程，如果氧化鋁和氧化釔在碳化硅基體中分布不均勻，必然導(dǎo)致燒結(jié)溫度更高，碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)及性能變差。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復(fù)合粉體，先將復(fù)合粉體依次采用干壓預(yù)壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)；其特征是所述復(fù)合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石；所述復(fù)合粉體的制備過(guò)程包括以下步驟1)、將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌8～12分鐘，所述釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，所述硝酸鋁和硝酸釔的重量之和與去離子水的重量比為2.5～7.7∶100；再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石，所述六次甲基四胺溶液與去離子水的重量比為0.25～1∶100；2)、在上述透明溶膠狀的釔鋁石榴石中加入碳化硅細(xì)粉，經(jīng)50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得到復(fù)合凝膠；3)、待上述復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時(shí)得到復(fù)合粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是所述干壓預(yù)壓的壓力為100～180MPa，所述冷等靜壓終壓的壓力為200～250MPa；所述燒結(jié)溫度為1860℃～1900℃、時(shí)間為1～4個(gè)小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅復(fù)相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復(fù)合粉體，先將復(fù)合粉體依次采用干壓預(yù)壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)；該復(fù)合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石，其制備過(guò)程包括以下步驟1)將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌，再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)再加入碳化硅細(xì)粉，經(jīng)50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得復(fù)合凝膠；3)待復(fù)合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時(shí)得復(fù)合粉體。采用本發(fā)明方法制備的碳化硅復(fù)相陶瓷，具有較好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。
文檔編號(hào)C04B35/626GK101037335SQ20071006727
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月15日
發(fā)明者郭興忠, 楊輝, 傅培鑫, 高黎華, 馬奇, 李海淼 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)