專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于新型納米四組份燒結(jié)助劑的碳化硅陶瓷制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于新型納米四組份燒結(jié)助劑的碳化硅陶瓷制造方法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化硅陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大、高溫抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性能好、熱穩(wěn)定性佳、 熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，在汽車(chē)、機(jī)械化工、環(huán) 境保護(hù)、空間技術(shù)、信息電子、能源等領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè) 領(lǐng)域性能優(yōu)異的其他材料不可替代的結(jié)構(gòu)陶瓷。 機(jī)械設(shè)備中的動(dòng)密封是通過(guò)兩個(gè)密封端面材料的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)而進(jìn)行的，作為密封端 面材料，要求硬度高，具有耐磨損性。碳化硅陶瓷的硬度相當(dāng)高且摩擦系數(shù)小，故碳化硅陶 瓷作為機(jī)械密封端面材料可獲得其它材料所無(wú)法達(dá)到的滑動(dòng)特性。另一方面，兩個(gè)端面密 封材料在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于摩擦?xí)a(chǎn)生一定的熱量，從而使密封端面的局部溫度升高， 因此端面材料還必須能夠耐受一定的溫度。為了避免端面密封材料在旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生 熱應(yīng)變和熱裂，要求端面材料的導(dǎo)熱系數(shù)高、抗熱震性好。目前，碳化硅陶瓷已經(jīng)在各類(lèi)機(jī) 械密封中獲得大量的應(yīng)用，并為機(jī)械設(shè)備的省力和節(jié)能做出了很大的貢獻(xiàn)，顯示出其他材 料所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。碳化硅陶瓷在機(jī)械工業(yè)中還被成功地用作各種軸承、切削刀具。
在汽車(chē)工業(yè)中，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，充分利用能源，降低燃料消耗，減少大 氣污染，希望發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度高于120(TC (據(jù)計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度由IIO(TC提高到 137(TC時(shí)，熱效率可增加30% )。碳化硅陶瓷因所具有的高溫強(qiáng)度，較低的熱膨脹系數(shù)，較 高的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的抗熱沖擊性而被認(rèn)為是使用溫度超過(guò)120(TC最有前途的候選材料。 擁有先進(jìn)陶瓷技術(shù)的國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)和日本已研發(fā)出采用碳化硅陶瓷的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件如 發(fā)動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、燃燒器及渦形管并取得了良好的使用效果，目前正致力于全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 的開(kāi)發(fā)研究。 航空航天、原子能工業(yè)等需要耐受超高溫度的場(chǎng)合如核裂變和核聚變反應(yīng)堆中需 要的可承受2000度左右高溫的耐熱材料；火箭和航天飛行器表面用于耐受與大氣劇烈摩 擦中產(chǎn)生的高達(dá)數(shù)千K溫度的隔熱瓦；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室喉襯和內(nèi)襯材料，燃?xì)鉁u輪葉片； 高溫爐的頂板、支架，以及高溫實(shí)驗(yàn)用的卡具等高溫構(gòu)件也普遍采用碳化硅陶瓷構(gòu)件。碳化 硅陶瓷在石油化學(xué)工業(yè)中還被廣泛地用作各種耐腐蝕用容器和管道。 由于碳化硅陶瓷的高性能和在工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，SiC的燒結(jié)一直是材料 界研究的熱點(diǎn)。但由于碳化硅是一種共價(jià)性極強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，即使在210(TC的高溫 下，C禾PSi的自擴(kuò)散系數(shù)也僅為1.5X10—"和2. 5X10—13cm7s。所以SiC很難燒結(jié)，必須 借助燒結(jié)助劑或外部壓力才能實(shí)現(xiàn)致密化[Krishi Negita， Effective sintering aids for silicon carbide ceramics -reactivities of silicon carbide with various additives, J. Am. Ceram. Soc. ，1986， 69(12) :C308_310.]。 借助于外壓、在燒結(jié)前驅(qū)粉體中添加或不添加燒結(jié)助劑的方法就是熱壓燒結(jié)[江 東亮、潘振蘇、王大千、黃玉珍、王菊紅、林慶玲，硅酸鹽學(xué)報(bào)，1981，9 :133-146.]。但是采用熱壓燒結(jié)工藝只能制備形狀簡(jiǎn)單的碳化硅部件，而且經(jīng)過(guò)一次燒結(jié)過(guò)程所制備的產(chǎn)品的數(shù)量很少而非常不利于商業(yè)化生產(chǎn)。所以從70年代開(kāi)始美國(guó)Carbortmdum公司開(kāi)展了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的制備，反應(yīng)燒結(jié)主要利用多空隙率的碳化硅素坯在高溫下浸漬液態(tài)硅反應(yīng)凝結(jié)碳化硅粒子而制成的。目前，典型的反應(yīng)燒結(jié)SiC制品主要有英國(guó)UKAEA的Refel-SiC和美國(guó)Carbortmdum公司的KT-SiC。但反應(yīng)燒結(jié)的產(chǎn)品中有10%左右的游離硅，不能耐強(qiáng)堿和氫氟酸，不能應(yīng)用在強(qiáng)酸強(qiáng)堿的化工生產(chǎn)環(huán)境中；當(dāng)溫度超過(guò)140(TC時(shí)，抗彎強(qiáng)度會(huì)急劇下降，高溫耐受性相對(duì)較差一些，不能用于對(duì)高溫強(qiáng)度要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。從綜合力學(xué)性能(包括抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量、抗彎強(qiáng)度等)來(lái)看，反應(yīng)燒結(jié)陶瓷產(chǎn)品與熱壓燒結(jié)比較尚有很大的差距。從上個(gè)世紀(jì)70-80年代以來(lái)，人們進(jìn)行了大量的研究工作希望能在常壓的條件下燒結(jié)得到高性能的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。1974年，美國(guó)GE公司的S.Prochazka[S.Prochazka， Ceramics for High-Performance Applications, 1974， 239-252.]通過(guò)在高純度的B-SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝，于202(TC成功地獲得了密度高于98X的SiC燒結(jié)體。此后，世界各國(guó)研究人員進(jìn)行了大量的研究，篩選了不同的燒結(jié)助劑，力圖在降低燒結(jié)溫度的同時(shí)保持較高的材料的力學(xué)性能?？傮w上看，無(wú)壓燒結(jié)按照選用助劑在燒結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)可以分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。S.Prochazka、 J. A. Co卯ola、Joe J. Cao[CAO JOE J， MOBERLYCHAN WARREN J， LUTGARD C， et al. In Situ ToughenedSilicon Carbide withAl-B-C Additions, J. Am. Ceram. Soc. ， 1996， 79 (2) :461-469.]等采用B、 C和Al或其化合物在燒結(jié)過(guò)程中不出現(xiàn)熔融的第二相，被稱(chēng)作固相燒結(jié)。固相燒結(jié)方法需要較高的燒結(jié)溫度，燒結(jié)產(chǎn)物晶粒粗大，斷裂韌性較低。后來(lái)H. Tanaka、M. A. Mulls、T. 0hji [T. 0hji， L. Jonghe， J. Am. Ceram. Soc. ， 1994， 77 :1685.]等加入A1203_Y203、 AIN_R203等燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)形成二元液相低共熔混合物而被稱(chēng)為液相燒結(jié)。液相燒結(jié)可以在較低的溫度下燒結(jié)得到具有較好的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度且具有復(fù)雜形狀和大尺寸的碳化硅部件，被認(rèn)為是高性能碳化硅陶瓷最有前途工業(yè)化燒結(jié)方法。液相燒結(jié)體系，特別是5化41203-^03，已成為近年來(lái)碳化硅燒結(jié)研究的熱點(diǎn)。然而液相燒結(jié)也有缺點(diǎn)，首先液相作為玻璃相殘存于晶界，使高溫強(qiáng)度降低，不能滿(mǎn)足某些超高溫的應(yīng)用場(chǎng)合。其次容易引起晶粒異常長(zhǎng)大而降低機(jī)械性能。最后，液相燒結(jié)工藝需要復(fù)雜而低效的燒結(jié)前驅(qū)體制備工藝也是該工藝走向工業(yè)化應(yīng)用的障礙。雖然目前無(wú)壓固相燒結(jié)的商品化碳化硅陶瓷有日本特殊瓷業(yè)EC-422、EC-425，美國(guó)GE公司，上海硅酸鹽研究所、美國(guó)Hexolog、美國(guó)Carborundum公司、德國(guó)PLS等。但國(guó)內(nèi)外工業(yè)化的液相碳化硅陶瓷制備生產(chǎn)線幾乎還沒(méi)有。所以尋找更好的燒結(jié)助劑以獲得具有低的燒結(jié)溫度的同時(shí)具有更好力學(xué)特性的碳化硅陶瓷產(chǎn)品都是目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 目前所采用的燒結(jié)助劑都是以單純?cè)谳^低溫度下在碳化硅固體顆粒之間形成液相如[譚壽洪；廖陸林申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?2111060. 3中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利含反應(yīng)合成碳硼鋁化合物相的碳化硅陶瓷及其液相燒結(jié)法]從而增加碳化硅原子的擴(kuò)散系數(shù)而降低燒結(jié)溫度，無(wú)法避開(kāi)燒成體高溫強(qiáng)度低、晶粒異常長(zhǎng)大和復(fù)雜低效前驅(qū)體制備工藝問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有背景技術(shù)而提供的采用一種新型的納米四組分氧化物燒結(jié)助劑。該燒結(jié)助劑其中的兩種為碳化硅陶瓷燒結(jié)研究較多的八1203和YA，在燒結(jié)溫度(1750°C -1850°C )下，A1203_Y203形成液相YAG，使碳和硅原子能在該較低
溫度下加速擴(kuò)散而燒結(jié)。而混合助劑中另外兩種組分能夠在碳化硅陶瓷燒結(jié)的后期與玻璃
態(tài)YAG形成熔點(diǎn)更高的尖晶石類(lèi)化合物，在燒結(jié)溫度下顯固態(tài)， 一方面在燒結(jié)后期降低低
熔點(diǎn)共熔YAG相的量而提高碳化硅陶瓷的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。另一方面尖晶石類(lèi)化合
物存在于晶界周?chē)?，抑制晶粒長(zhǎng)大、促進(jìn)氣孔排除從而抑制碳化硅陶瓷的高溫蠕變。該兩種
組分分別為納米MO(M為Mg， Ba， Be， Ca中的一種)、L203 (L為稀土元素，是La， Ce， Lu中的
一種)。該制備方法既能降低碳化硅陶瓷的燒結(jié)溫度，又使其燒結(jié)體能具有與熱壓燒結(jié)相當(dāng)
的高溫機(jī)械性能。特別適合在超高溫下苛刻環(huán)境中的高強(qiáng)度連續(xù)使用。如圖2，圖3分別為
本發(fā)明提出的新型納米四組份燒結(jié)助劑185(TC燒結(jié)碳化硅陶瓷的X-射線衍射圖譜及相同
含量的對(duì)比A1203-Y203雙組份燒結(jié)助劑碳化硅陶瓷X-射線衍射圖譜。從圖中可見(jiàn)，四組份
燒結(jié)助劑陶瓷樣品的衍射峰明顯要比雙組份燒結(jié)助劑樣品要寬，表明在納米四組份燒結(jié)助
劑燒結(jié)陶瓷體中晶粒的長(zhǎng)大受到限制，在燒成體中仍舊維持較小的晶粒度。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該新型四組分納米燒結(jié)助劑制
備低溫?zé)Y(jié)高性能碳化硅陶瓷的制備方法，其特征在于將主要原料75-90wt^碳化硅粉、
5-20wt^新型納米四組分燒結(jié)助劑、l-5wt^結(jié)合劑，在常溫下與相同重量的水混合形成懸
浮液，經(jīng)過(guò)電動(dòng)攪拌器攪勻后在該懸浮液中插入大功率超聲波換能器，并使該超聲波發(fā)生
器間歇工作，給懸浮液施加脈沖超聲場(chǎng)。在5-30分鐘超聲脈沖以后，懸浮液經(jīng)過(guò)干燥、過(guò)
篩、成型、固化、高溫?zé)Y(jié)等主要工藝步驟，形成碳化硅陶瓷產(chǎn)品。 上述的新型四組分納米燒結(jié)助劑為納米MO(M為Mg， Ba， Be， Ca中的一種)、L203(L為稀土元素，是La， Ce， Lu中的一種)、納米八1203、納米Y203的混合物，每種物質(zhì)占整個(gè)燒結(jié)助劑的重量百分比介于0. 1-0. 7之間。這些納米氧化物都是可以在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)得到的，如納米氧化鋁和氧化釔可以在北京納辰公司購(gòu)買(mǎi)得到。或者也可以通過(guò)溶膠凝膠等方法自行制備得到。十分有益的是在燒結(jié)溫度(1750°C-1850°C )下，Al203-Y203形成液相YAG，使碳和硅原子能在該較低溫度下加速擴(kuò)散而燒結(jié)。而MO、 L203兩種組分能夠在碳化硅陶瓷燒結(jié)的后期與玻璃態(tài)YAG形成熔點(diǎn)更高的尖晶石類(lèi)化合物，在燒結(jié)溫度下顯固態(tài)，在燒結(jié)后期降低低熔點(diǎn)共熔YAG相的量而提高碳化硅陶瓷的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。另一方面尖晶石類(lèi)化合物存在于晶界周?chē)?，抑制晶粒長(zhǎng)大、促進(jìn)氣孔排除從而抑制碳化硅陶瓷的高溫蠕變。另外該四組分新型燒結(jié)助劑的顆粒尺度在300納米以下，由于主體碳化硅粉體為微米級(jí)的粒度，與燒結(jié)助劑顆粒度相差很大，燒結(jié)助劑能夠通過(guò)超聲過(guò)程吸附到主體碳化硅粉體表面而形成包裹。這樣能在燒結(jié)過(guò)程中在碳化硅粉體顆粒表面形成均勻的液相薄層，從而以較少的助劑量完成較低溫度下的燒結(jié)過(guò)程。 上述的大功率超聲波發(fā)生器功率范圍為1000 2000瓦，超聲探頭的位置在液面下3-5厘米。 一個(gè)脈沖周期為3-5秒，其中工作時(shí)長(zhǎng)為l-2秒，空閑時(shí)長(zhǎng)為1-4秒。十分有益的是該超聲波發(fā)生器選用直插式，它可以直接將高強(qiáng)超聲波場(chǎng)分布在懸浮液中，有利于利用強(qiáng)超聲的空化和射流效應(yīng)，迅速將陶瓷前驅(qū)粉體達(dá)到十分均勻的混合狀態(tài)并組織顆粒的團(tuán)聚。能夠避免實(shí)驗(yàn)室中液相燒結(jié)前驅(qū)粉體制備過(guò)程中有機(jī)溶劑下長(zhǎng)達(dá)十幾小時(shí)的球磨。 上述的碳化硅粉體向山東濰坊凱華碳化硅微粉有限公司購(gòu)買(mǎi)，經(jīng)MalvernMastersizer2000激光粒度儀測(cè)試平均粒徑在10微米左右，如圖1。
上述的結(jié)合劑可以是酚醛樹(shù)脂、PVA(聚乙烯醇)中的一種。 上述的成型是將前驅(qū)粉體放在圓柱形模具內(nèi)，在高噸位液壓機(jī)中在200-250MPa的壓力下靜止5分鐘再脫模得到的。 上述高溫?zé)Y(jié)是在真空的條件下，在微壓Ar氣(0. 10-0. 13MPa)氣氛保護(hù)下程序升溫，1300°C以下5-8°C /分鐘，1300°C以上溫度區(qū)間的升溫速率為10_15°C /分鐘。保溫溫度為1750°C -185(TC，保溫為0. 5-3小時(shí)。保溫結(jié)束后，繼續(xù)以5_8°C /分鐘的速率溫度升高30-5(TC并在此溫度下保溫20-40分鐘。十分有益的是最后階段的升溫是與燒結(jié)后期M0、 L203兩種組分與玻璃態(tài)YAG形成熔點(diǎn)更高的尖晶石類(lèi)化合物相適應(yīng)的，在該溫度下M0、L203能大大降低玻璃態(tài)低熔點(diǎn)YAG的含量，從而提高碳化硅陶瓷燒結(jié)體的高溫力學(xué)性能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用新型四組分納米燒結(jié)助劑，它們合理的配比和組成既能夠降低碳化硅陶瓷的燒結(jié)溫度1750°C _1850°C，同時(shí)又通過(guò)燒結(jié)助劑組分在燒結(jié)后期與液相組分YAG的反應(yīng)形成高熔點(diǎn)尖晶石物質(zhì)而降低其含量，從而提高碳化硅陶瓷的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能；抑制晶粒長(zhǎng)大、促進(jìn)氣孔排除從而抑制碳化硅陶瓷的高溫蠕變。能夠克服液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的低燒結(jié)溫度和不夠理想的高溫力學(xué)性能之間的矛盾。使其特別適合在超高溫下苛刻環(huán)境中的高強(qiáng)度連續(xù)使用。通過(guò)燒結(jié)過(guò)程程序升溫的設(shè)計(jì)及大功率超聲制備前驅(qū)粉體能夠避免長(zhǎng)時(shí)間的球磨工藝從而為液相燒結(jié)工藝能夠商業(yè)化提供基礎(chǔ)。


圖1為主體成分碳化硅粉體的粒度分布圖 圖2為納米四組份助劑燒結(jié)碳化硅陶瓷X-射線衍射圖 圖3為相同含量A1203_Y203雙組份助劑燒結(jié)碳化硅陶瓷X-射線衍射圖
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 實(shí)施例1 :取納米MgO :纟內(nèi)米La203 :纟內(nèi)米A1203 :纟內(nèi)米Y203質(zhì)量比=0. 15 : 0. 15 : 0. 3 : 0. 4混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的10% )與88wt^碳化硅粉、2wt^酚醛樹(shù)脂、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過(guò)電動(dòng)攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入IOOOW大功率超聲波換能器，超聲探頭的位置在液面下3厘米。啟動(dòng)超聲發(fā)生器，一個(gè)脈沖周期為3秒，其中工作時(shí)長(zhǎng)為2秒，空閑時(shí)長(zhǎng)為1秒，工作20分鐘。將得到的懸浮液過(guò)濾、在80度下干燥2個(gè)小時(shí)，粉碎、過(guò)篩后，裝入圓柱形模具中在230Mpa下靜置5分鐘得到素坯。將素坯在25(TC熱處理20分鐘，除去結(jié)合劑。將素坯放置在真空碳管爐中抽真空到真空度4-5Pa，轉(zhuǎn)換氬氣到微正壓0. 12MPa。設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi)的溫度以5°C /分鐘上升至130(TC，然后以l(TC /分鐘的速度上升到180(TC，在180(TC下保溫1小時(shí)。繼續(xù)以5°C /分鐘的速率溫度升高183(TC并在此溫度下保溫30分鐘后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為碳化硅陶瓷燒成體。 實(shí)施例2 :取納米CaO :纟內(nèi)米Ce203 :纟內(nèi)米A1203 :纟內(nèi)米Y203質(zhì)量比=0.2 : 0.2 : 0.4 : O. 2混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的5% )與90wt^碳化硅粉、5wt^酚醛樹(shù)脂、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過(guò)電動(dòng)攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入1500W大功率超聲波換能器，超聲探頭的位置在液面下3厘米。啟動(dòng)超聲發(fā)生器，一個(gè)脈沖周期為5秒，其中工作時(shí)長(zhǎng)為2秒，空閑時(shí)長(zhǎng)為3秒，工作20分鐘。將得到的懸浮液過(guò)濾、在80度下干燥2個(gè)小時(shí)，粉碎、過(guò)篩后，裝入圓柱形模具中在250Mpa下靜置5分鐘得到素坯。將素坯在25(TC熱處理20分鐘，除去結(jié)合劑。將素坯放置在真空碳管爐中抽真空到真空度4-5Pa，轉(zhuǎn)換氬氣到微正壓0. 12MPa。設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi)的溫度以5°C /分鐘上升至130(TC，然后以l(TC /分鐘的速度上升到183(TC，在183(TC下保溫1. 5小時(shí)。繼續(xù)以5°C /分鐘的速率溫度升高186(TC并在此溫度下保溫20分鐘后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為碳化硅陶瓷燒成體。 實(shí)施例3 :取納米BaO :纟內(nèi)米Lu203 :纟內(nèi)米A1203 :纟內(nèi)米Y203質(zhì)量比=0.3 : 0.3 : 0.2 : O. 2混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的15% )與83wt^碳化硅粉、2wt^PVA、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過(guò)電動(dòng)攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入2000W大功率超聲波換能器，超聲探頭的位置在液面下3厘米。啟動(dòng)超聲發(fā)生器，一個(gè)脈沖周期為5秒，其中工作時(shí)長(zhǎng)為2秒，空閑時(shí)長(zhǎng)為3秒，工作20分鐘。將得到的懸浮液過(guò)濾、在80度下干燥2個(gè)小時(shí)，粉碎、過(guò)篩后，裝入圓柱形模具中在250Mpa下靜置5分鐘得到素坯。將素坯在25(TC熱處理20分鐘，除去結(jié)合劑。將素坯放置在真空碳管爐中抽真空到真空度4-5Pa，轉(zhuǎn)換氬氣到微正壓0. 12MPa。設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi)的溫度以7°C /分鐘上升至1300。C，然后以13°C /分鐘的速度上升到1850。C，在1850。C下保溫1. 5小時(shí)。繼續(xù)以7°C /分鐘的速率溫度升高190(TC并在此溫度下保溫20分鐘后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為碳化硅陶瓷燒成體。
權(quán)利要求
一種新型的納米四組分氧化物燒結(jié)助劑制備碳化硅陶瓷的方法，其特征在于采用的四組分氧化物燒結(jié)助劑其中兩種為Al2O3和Y2O3，在燒結(jié)溫度(1750℃-1850℃)下，Al2O3-Y2O3形成液相YAG，使碳和硅原子能在該較低溫度下加速擴(kuò)散而燒結(jié)；而混合助劑中另外兩種組分能夠在碳化硅陶瓷燒結(jié)的后期與玻璃態(tài)YAG形成熔點(diǎn)更高的尖晶石類(lèi)化合物，在燒結(jié)溫度下顯固態(tài)，一方面在燒結(jié)后期降低低熔點(diǎn)共熔YAG相的量而提高碳化硅陶瓷的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能；另一方面尖晶石類(lèi)化合物存在于晶界周?chē)?，抑制晶粒長(zhǎng)大、促進(jìn)氣孔排除從而抑制碳化硅陶瓷的高溫蠕變；將主要原料75-90wt％碳化硅粉、5-20wt％該新型納米四組分燒結(jié)助劑、1-5wt％結(jié)合劑，在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過(guò)電動(dòng)攪拌器攪勻后在該懸浮液中插入大功率超聲波換能器，并使該超聲波發(fā)生器間歇工作，給懸浮液施加脈沖超聲場(chǎng)，在5-30分鐘超聲脈沖以后，懸浮液經(jīng)過(guò)干燥、過(guò)篩、成型、固化、高溫?zé)Y(jié)等主要工藝步驟，形成碳化硅陶瓷產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于新型四組分納米燒結(jié)助劑為納米MO(M為 Mg，Ba，Be，Ca中的一種)、L203 (L為稀土元素，是La， Ce， Lu中的一種)、納米Al^、納米Y203 的混合物，每種物質(zhì)占整個(gè)燒結(jié)助劑的重量百分比介于0. 1-0. 7之間，該四組分新型燒結(jié) 助劑的顆粒尺度在300納米以下而且主成分碳化硅在微米粒度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的超聲波處理器選用直插式超聲波處 理器，大功率超聲波發(fā)生器功率范圍為1000 2000瓦，超聲探頭的位置在液面下3-5厘 米，一個(gè)脈沖周期為3-5秒，其中工作時(shí)長(zhǎng)為l-2秒，空閑時(shí)長(zhǎng)為1-4秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于結(jié)合劑可以是酚醛樹(shù)脂、PVA(聚乙烯醇) 中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于高溫?zé)Y(jié)是在真空的條件下，在微壓Ar氣 (0. 10-0. 13MPa)氣氛保護(hù)下程序升溫，1300°C以下5_8°C /分鐘，1300°C以上溫度區(qū)間的升 溫速率為10-15°C /分鐘，保溫溫度為1750°C -185(TC，保溫為0. 5-3小時(shí)，保溫結(jié)束后，繼 續(xù)以5-8 °C /分鐘的速率溫度升高30-5(TC并在此溫度下保溫20-40分鐘。
全文摘要
一種新型的納米四組分氧化物燒結(jié)助劑制備碳化硅陶瓷的方法。其特征在于采用的四組分氧化物燒結(jié)助劑其中兩種為Al2O3和Y2O3，另外兩種為納米MO(M為Mg，Ba，Be，Ca中的一種)、L2O3(L為稀土元素，是La，Ce，Lu中的一種)。每種物質(zhì)占整個(gè)燒結(jié)助劑的重量百分比介于0.1-0.7之間。該四組分新型燒結(jié)助劑的顆粒尺度在300納米以下而且主成分碳化硅在微米粒度。將主要原料微米粒度75-90wt％碳化硅粉、5-20wt％該新型納米四組分燒結(jié)助劑、1-5wt％結(jié)合劑經(jīng)過(guò)大功率超聲混合、干燥、成型、高溫?zé)Y(jié)等工序后制成碳化硅陶瓷燒結(jié)體。該方法能克服液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的低燒結(jié)溫度和不夠理想的高溫力學(xué)性能之間的矛盾，使其特別適合在超高溫下苛刻環(huán)境中的高強(qiáng)度連續(xù)使用。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101759436SQ20091012818
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者任元龍, 宋岳, 水淼, 王青春, 黃鋒濤 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)