專利名稱：一種基于硅烷鈦酸酯雙組份偶聯(lián)劑碳化硅陶瓷制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫下高致密度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、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1200°c (據(jù)計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度由IlOiTC提高到1370°C 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)I200°c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2100°C的高溫下，C 和Si的自擴(kuò)散系數(shù)也僅為1. 5 X 10,和2. 5 X 10-13cm2/s。所以SiC很難燒結(jié)，必須借助燒結(jié) 助劑或外部壓力才可能在2000°C以下實(shí)現(xiàn)致密化(Krishi Negita, Effective sintering aids for silicon carbideceramics -reactivities of silicon carbide with various additives, J. Am. Ceram. Soc.，1986,69 (12) :C308_310.)。我們知道在這樣的高溫下，如果 能夠降低一定的工作溫度，能耗將會(huì)急劇地減小，所以如何在盡可能低的溫度下燒結(jié)得到 高相對(duì)致密度(> 98% )的碳化硅陶瓷產(chǎn)品，滿足不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叨颂蓟杼沾芍破返?需求，已成為碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)亟待解決的共性關(guān)鍵問(wèn)題。
熱壓燒結(jié)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，熱壓燒結(jié)達(dá)到 98%的致密度通常需要2000°C左右的溫度，如江東亮等在硅酸鹽學(xué)報(bào)1981，No. 9，133-146 報(bào)導(dǎo)了在2050°C條件下SiC+1% B4C+3% C體系保溫45分鐘工藝條件下，密度達(dá)到理論致 密度的98. 75%。也有部分以Al、B、C為燒結(jié)助劑的體系燒結(jié)溫度可以低于2000°C，如黃 漢銓等在1991，9 (2) 70-77上報(bào)導(dǎo)在1650°C -1950°C，50MPa的熱壓條件下，可以得到相對(duì) 致密度高于98%的燒結(jié)體。然而熱壓燒結(jié)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)量很少而無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。相比而言，無(wú)壓燒結(jié)是高性能 碳化硅陶瓷工業(yè)化最有前途的燒結(jié)方法。按照選用助劑在燒結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)無(wú)壓燒結(jié)可以 分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。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 的方法被稱作固相燒結(jié)。固相燒結(jié)溫度較高，通常在2000°C以上，而且對(duì)原材料的純度要 求也很高，如美國(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2020°C獲得了密度高于98%的SiC燒結(jié)體。而在燒結(jié)體系中加入 Al2O3-Y2O3^ AIN-R2O3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的方法被稱 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。液相燒結(jié)體系，特別是SiC-Al2O3-Y2O3，已成為近年 來(lái)碳化硅燒結(jié)研究的熱點(diǎn)。然而目前的文獻(xiàn)和專利顯示，通常要制備相對(duì)致密度98%的 高品質(zhì)碳化硅陶瓷，燒結(jié)溫度一般都需要在1900°C以上，采用溶膠凝膠制備的碳化硅/YAG 復(fù)合粉體燒結(jié)溫度可以在1850°C下達(dá)到96% -97%致密度，如王建武等在耐火材料2005， 39(3) :P192-195上報(bào)導(dǎo)以碳化硅、六水硝酸釔、九水硝酸鋁和六次甲基四胺為主要原料， 通過(guò)溶膠_凝膠法引入Al2O3和Y2O3復(fù)合燒結(jié)助劑，液相燒結(jié)制備得到SiC-Y3Al5O12復(fù)相陶 瓷；原料復(fù)合粉體經(jīng)干壓、等靜壓成形后，在1860°C下燒結(jié)45min，所制得復(fù)相陶瓷的相對(duì) 密度為96. 5%。但溶膠凝膠成本高、費(fèi)時(shí)、產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，很難適應(yīng)工業(yè)化的生產(chǎn)要求。實(shí)際上YAG在1760°C即開(kāi)始產(chǎn)生液相，然而我們很難在1800°C左右的溫度下制得 高致密度(>98%)的碳化硅陶瓷關(guān)鍵在于YAG燒結(jié)助劑是否能夠完整地包裹在碳化硅粒 子的周圍，那些沒(méi)有被YAG包覆的部分在1800°C左右較低的溫度下在液相缺失的情況下難 以通過(guò)自身的熱擴(kuò)散而熔合從而在基體中產(chǎn)生空隙導(dǎo)致致密度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有背景技術(shù)提出了一種采用雙組份偶聯(lián)劑鍵合的SiC-Al2O3-Y2O3體 系。該體系能在1800°C的低溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝過(guò)程燒結(jié)制備得到相對(duì)致密度超過(guò)98% 的致密碳化硅陶瓷。Al2O3和Y2O3作為體系的燒結(jié)助劑，在燒結(jié)溫度(1750°C -ISOO0C )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)。而體系中的偶 聯(lián)劑通過(guò)烷氧基的水解在主體SiC表面及助劑A1203、Y2O3表面形成牢固的化學(xué)鍵合，同時(shí) 通過(guò)兩種偶聯(lián)劑之間的基團(tuán)反應(yīng)在主體碳化硅表層形成牢固而致密的燒結(jié)助劑包覆層。該 方法能在1800°C較低的溫度下燒結(jié)得到相對(duì)致密度超過(guò)98%的致密碳化硅陶瓷，極大地 降低了碳化硅生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗。如圖1為制備得到的高致密度碳化硅陶瓷電鏡圖片， 從圖中看，晶粒輪廓清晰，致密、沒(méi)有明顯的孔隙，晶界周圍有包圍晶粒的薄層包覆物。這種基于雙組份偶聯(lián)劑低溫?zé)Y(jié)高致密碳化硅陶瓷制備方法，其特征在于將主要
4原料95-98wt%碳化硅粉、2-5wt%硅烷偶聯(lián)劑A常溫下在高能球磨機(jī)中混合球磨3_5小時(shí) 得到物料I ；將燒結(jié)助劑30-70Wt%Al203、28-65wt%Y203、2-5wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑B在高能球 磨機(jī)中混合球磨4-8小時(shí)得到物料II ；將85-95 丨％物料1、2_10 丨％物料11、3_5 丨％結(jié)合 劑在高能球磨機(jī)中混合球磨5-10小時(shí)后經(jīng)過(guò)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。上述的硅烷偶聯(lián)劑A應(yīng)含有較多的烷氧基團(tuán)并含有1-2個(gè)反應(yīng)性基團(tuán)，烷氧基團(tuán) 通過(guò)水解變?yōu)楣枇u基與碳化硅表面的硅羥基通過(guò)縮聚反應(yīng)鍵合到主體碳化硅顆粒周圍，而 該反應(yīng)性基團(tuán)則能夠通過(guò)反應(yīng)與鈦酸酯偶聯(lián)劑B進(jìn)行鍵合。硅烷偶聯(lián)劑A是Y-氨丙基三 乙氧基硅烷、環(huán)己胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、己二胺基甲基三乙氧基硅烷中的一種。偶聯(lián) 劑B選擇了結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的鈦酸酯偶聯(lián)劑，同樣應(yīng)含有較多的烷氧基團(tuán)并含有1-2個(gè)反應(yīng) 性基團(tuán)，烷氧基團(tuán)通過(guò)水解變?yōu)殁伭u基與A1203、Y2O3表面的羥基通過(guò)縮聚反應(yīng)鍵合到燒結(jié) 助劑周圍，而該反應(yīng)性基團(tuán)則能夠通過(guò)反應(yīng)與硅烷偶聯(lián)劑A進(jìn)行鍵合，從而在碳化硅顆粒 周圍形成完整牢固的燒結(jié)助劑包覆層，從而在較低的溫度< 1800°C下燒結(jié)，降低燒成品的 空隙率，得到高致密度> 98%的碳化硅陶瓷。鈦酸酯偶聯(lián)劑B是異丙基十二烷基苯磺酰鈦 酸酯、異丙基三辛酰鈦酸酯、異丙基三(月桂基-肉豆蔻基)鈦酸酯中的一種。硅烷偶聯(lián)劑 A和鈦酸酯偶聯(lián)劑B均能夠在市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)到。上述的主體碳化硅粉體和燒結(jié)助劑的顆粒度相差較大；主體碳化硅的顆粒粒徑應(yīng) 在0. 5-5微米之間，A1203、Y2O3燒結(jié)助劑的顆粒尺度在200納米以下，從而有利于在主體碳 化硅粉體表面形成致密、均勻、薄的燒結(jié)助劑包覆層，也有利于用較少的助劑量完成較低溫 度下的燒結(jié)過(guò)程。該粒度的原材料均可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到，如碳化硅粉體可以向山東濰坊凱 華碳化硅微粉有限公司購(gòu)買(mǎi)。上述的結(jié)合劑是酚醛樹(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 -1800°C，保溫時(shí)間為0. 5-3小時(shí)。十分有益的是硅烷偶聯(lián)劑A在該溫度及 氣氛下裂解成高活性Si-C鍵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有助于碳化硅的原子擴(kuò)散。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用雙組份偶聯(lián)劑，硅烷偶聯(lián)劑A及鈦酸酯 偶聯(lián)劑B分別通過(guò)烷氧基的水解形成的硅羥基或鈦羥基鍵合在主體碳化硅和燒結(jié)助劑表 面，而這兩種偶聯(lián)劑的功能性反應(yīng)基團(tuán)則能互相鍵合把燒結(jié)助劑鍵合包覆到主體碳化硅顆 粒上形成致密均勻燒結(jié)助劑包覆薄層，該薄層有助于在較低的溫度180(TC下燒結(jié)得到高致 密度> 98%的碳化硅陶瓷。


圖1為制備得到的高致密度碳化硅陶瓷(> 98% )斷面電鏡照片
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97襯％碳化硅粉(平均粒度為0. 5-5微米)、3wt%硅烷偶聯(lián)劑γ-氨 丙基三乙氧基硅烷混合物，在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨3小時(shí)得 到物料I ；將68wt% Al203>27wt% Y203、5wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基十二烷基苯磺酰鈦酸酯 在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨4小時(shí)得到物料II ；將90wt%物料 I、6wt%物料II、4wt% PVA在高能球磨機(jī)中混合球磨6小時(shí)得到燒結(jié)前驅(qū)粉體。將前驅(qū)粉 體在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250°C熱處理20分鐘，除去PVA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1300°C，然后以10°C /分鐘的速度上升到1800°C，在1800°C下保溫1小時(shí)后關(guān) 閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為高致密度碳化硅陶瓷燒成體。實(shí)施例2 取98襯％碳化硅粉(平均粒度為0. 5-5微米)、2襯％硅烷偶聯(lián)劑環(huán)己 胺基丙基甲基二甲氧基硅烷混合物，在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研 磨5小時(shí)得到物料I ；將50wt% Al203>48wt% Y203、2wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基三辛酰鈦酸 酯在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨6小時(shí)得到物料II ；將85襯％物 料I、10wt%物料II、5wt% PVA在高能球磨機(jī)中混合球磨9小時(shí)得到燒結(jié)前驅(qū)粉體。將前 驅(qū)粉體在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250°C熱處理20分鐘，除去PVA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. IlMPa0設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi)的溫度以6/ 分鐘上升至1300°C，然后以12°C /分鐘的速度上升到1780°C，在1780°C下保溫3小時(shí)后關(guān) 閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為高致密度碳化硅陶瓷燒成體。實(shí)施例3 取95襯％碳化硅粉(平均粒度為0. 5-5微米)、5wt%硅烷偶聯(lián)劑己二胺 基甲基三乙氧基硅烷混合物，在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨4小 時(shí)得到物料I ；將35wt% Al203>62wt% Y203、3wt %鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基三(月桂基-肉豆 蔻基)鈦酸酯在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨8小時(shí)得到物料II ； 將93wt%物料I、5wt%物料II、2wt% PVA在高能球磨機(jī)中混合球磨10小時(shí)得到燒結(jié)前驅(qū) 粉體。將前驅(qū)粉體在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250°C熱處理20分鐘，除去PVA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. IlMPa0設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi) 的溫度以6°C /分鐘上升至1300°C，然后以12°C /分鐘的速度上升到1800°C，在1800°C下 保溫2. 5小時(shí)后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為高致密度碳化硅陶瓷燒成體。實(shí)施例4 取95襯％碳化硅粉(平均粒度為0. 5-5微米)、5wt%硅烷偶聯(lián)劑γ-氨 丙基三乙氧基硅烷混合物，在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨4小時(shí) 得到物料I ；將37wt% Al203>60wt% Y203、3wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基三(月桂基-肉豆蔻 基)鈦酸酯在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨8小時(shí)得到物料II ；將 93wt%物料I、5wt%物料II、2wt% PVA在高能球磨機(jī)中混合球磨10小時(shí)得到燒結(jié)前驅(qū)粉 體。將前驅(qū)粉體在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250°C熱處理20分鐘，除去PVA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. IlMPa0設(shè)定溫度控制器使?fàn)t腔內(nèi)的 溫度以6°C /分鐘上升至1300°C，然后以12°C /分鐘的速度上升到1790°C，在1790°C下保溫2. 5小時(shí)后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為高致密度碳化硅陶瓷燒成體。
實(shí)施例5 取96襯％碳化硅粉(平均粒度為0. 5-5微米)、4襯％硅烷偶聯(lián)劑環(huán)己 胺基丙基甲基二甲氧基硅烷混合物，在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研 磨4小時(shí)得到物料I ；將38wt% Al203>59wt% Y203、3wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基十二烷基苯 磺酰鈦酸酯在高能球磨機(jī)中(轉(zhuǎn)速為300r/分鐘，球料比為5)研磨8小時(shí)得到物料II ；將 93wt%物料I、5wt%物料II、2wt%酚醛樹(shù)脂在高能球磨機(jī)中混合球磨10小時(shí)得到燒結(jié)前 驅(qū)粉體。將前驅(qū)粉體在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300°C熱處理20分鐘，除去酚醛樹(shù)脂結(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. IlMPa0設(shè)定溫度控制器 使?fàn)t腔內(nèi)的溫度以6°C /分鐘上升至1300°C，然后以12°C /分鐘的速度上升到1800°C，在 1800°C下保溫3小時(shí)后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為高致密度碳化硅陶瓷燒 成體。
權(quán)利要求
一種基于硅烷鈦酸酯雙組份偶聯(lián)劑碳化硅陶瓷的制造方法，其特征在于采用了硅烷鈦酸酯雙組份偶聯(lián)劑鍵合的SiC Al2O3 Y2O3體系，該體系能在1800℃的低溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝過(guò)程燒結(jié)制備得到相對(duì)致密度超過(guò)98％的致密碳化硅陶瓷，極大地降低了碳化硅生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗；Al2O3和Y2O3作為體系的燒結(jié)助劑，在燒結(jié)溫度(1750℃ 1800℃)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)；而體系中的雙組份偶聯(lián)劑通過(guò)烷氧基的水解在主體SiC表面及助劑Al2O3、Y2O3表面形成牢固的化學(xué)鍵合，同時(shí)通過(guò)兩種偶聯(lián)劑之間的基團(tuán)反應(yīng)在主體碳化硅表層形成牢固而致密的燒結(jié)助劑包覆層；將主要原料95 98wt％碳化硅粉、2 5wt％硅烷偶聯(lián)劑A常溫下在高能球磨機(jī)中混合球磨3 5小時(shí)得到物料I；將燒結(jié)助劑30 70wt％Al2O3、28 65wt％Y2O3、2 5wt％鈦酸酯偶聯(lián)劑B在高能球磨機(jī)中混合球磨4 8小時(shí)得到物料II；將85 95wt％物料I、2 10wt％物料II、3 5wt％結(jié)合劑在高能球磨機(jī)中混合球磨5 10小時(shí)后經(jīng)過(guò)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，其特征在于硅烷偶聯(lián)劑A是Y-氨丙基三乙氧基硅烷、 環(huán)己胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、己二胺基甲基三乙氧基硅烷中的一種；鈦酸酯偶聯(lián)劑B 是異丙基十二烷基苯磺酰鈦酸酯、異丙基三辛酰鈦酸酯、異丙基三(月桂基-肉豆蔻基)鈦 酸酯中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于主體碳化硅的顆粒粒徑應(yīng)在0.5-5微米 之間，A1203、Y2O3燒結(jié)助劑的顆粒尺度在200納米以下，從而有利于在主體碳化硅粉體表面 形成致密、均勻、薄的燒結(jié)助劑包覆層，也有利于用較少的助劑量完成較低溫度下的燒結(jié)過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于結(jié)合劑是酚醛樹(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 -1800°C，保溫時(shí)間為0. 5-3小時(shí)。
全文摘要
一種基于硅烷鈦酸酯雙組份偶聯(lián)劑碳化硅陶瓷的制造方法，其特征在于采用了硅烷鈦酸酯雙組份偶聯(lián)劑鍵合的SiC-Al2O3-Y2O3體系，Al2O3和Y2O3為體系的燒結(jié)助劑，雙組份偶聯(lián)劑通過(guò)烷氧基的水解在主體SiC表面及助劑Al2O3、Y2O3表面形成牢固的化學(xué)鍵合，同時(shí)通過(guò)兩種偶聯(lián)劑之間的基團(tuán)反應(yīng)在主體碳化硅表層形成牢固而致密的燒結(jié)助劑包覆層；將主要原料碳化硅粉(0.5-5微米)、硅烷偶聯(lián)劑A、鈦酸酯偶聯(lián)劑B、Al2O3、Y2O3(＜200納米)燒結(jié)助劑通過(guò)分步高能球磨后經(jīng)過(guò)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。該方法能在1800℃的低溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝過(guò)程燒結(jié)制備得到相對(duì)致密度超過(guò)98％的致密碳化硅陶瓷，極大地降低了碳化硅生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗。
文檔編號(hào)C04B35/64GK101913880SQ200910161250
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者任元龍, 宋岳, 水淼, 王青春, 舒杰, 黃峰濤 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)