專利名稱：納米復合碳化硅陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅陶瓷及其制備方法，具體的說，是一種納米復合 碳化硅陶瓷及其制備方法。
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 導熱性和電氣絕緣性、半導體性和電導性、耐熱、耐腐蝕以及高溫力學和熱 學性能優(yōu)良等。碳化硅陶瓷已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于機械、電子、石油化工、冶 金等工業(yè)領(lǐng)域以及國防工業(yè)，并被國際上確認為自金屬、氧化鋁、硬質(zhì)合金 以來的第四種基本材料。雖然碳化硅陶瓷具有許多性能，也在很多領(lǐng)域得到 應(yīng)用，但其室溫強度低、韌性不夠、成型比較困難，從而限制了它的應(yīng)用。 與此同時，高速發(fā)展中的國防、空間技術(shù)、汽車、能源等眾多領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材 料不斷提出新的要求。因此只有采用各種增強增韌手段制備碳化硅基復合材 料，提高其強度及韌性，才能更好地滿足碳化硅陶瓷在國防、空間技術(shù)等尖 端領(lǐng)域應(yīng)用的要求。制備高強、高韌、高硬、耐腐蝕、耐高溫、耐磨等多種 特性于一體的性能優(yōu)異的碳化硅陶瓷復合材料，成為碳化硅陶瓷材料研究和 發(fā)展的主流。
納米科技作為一種新興的科學技術(shù)，正越來越多得引起人們的關(guān)注和重 視。由于納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等一些 基本特性，導致了納米材料在熔點、蒸汽壓、相變溫度、光學性質(zhì)、化學反
應(yīng)性質(zhì)、磁性、超導及塑性變形等許多物理和化學等方面都顯示出特殊的性 能。納米陶瓷由于晶粒尺寸很小，使得材料表現(xiàn)出很多優(yōu)異的特性，如常溫 超塑性、在保持原來常規(guī)陶瓷材料斷裂韌性的同時強度提高、燒結(jié)溫度降低 等。但陶瓷材料在高溫處理時必然出現(xiàn)的晶粒重結(jié)晶給單相納米陶瓷材料的 制備帶來障礙，納米復相陶瓷的構(gòu)想應(yīng)運而生。納米復相陶瓷將異質(zhì)相納米 顆粒均勻地彌散在陶瓷基體中，可以同時起到對材料的強化與增韌的效果。 納米顆粒在陶瓷基體中通過對基體晶界的釘扎、強化作用及在基體晶界中形 成位錯網(wǎng)來增加陶瓷材料的強度，通過裂紋橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋彎曲來增 加陶瓷材料的韌性。
雖然納米復相陶瓷材料的開發(fā)以及增韌增強理論及方法得到很好的發(fā) 展，但仍然存在以下問題
1) 機械混合法是目前應(yīng)用最多、最簡便的制備復合粉體的方法，但由于 納米粉體有較大的比表面積，在球磨之后的干燥過程中，極易產(chǎn)生團聚、沉 降，導致納米顆粒不能均勻分散，最終將影響納米復相陶瓷的性能。
2) 目前納米復相陶瓷的燒結(jié)較多的使用熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電 等離子體燒結(jié)等燒結(jié)方式，這些方式對燒結(jié)設(shè)備有很高的要求，而且工藝復 雜，成本高，很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種納米復合碳化硅陶瓷及其制備方 法，該方法工藝簡便、低成本，采用該方法制備的碳化硅陶瓷具有硬度高、 抗彎強度大、斷裂韌性優(yōu)良等特性。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種納米復合碳化硅陶瓷的制備方
法，以重量百分比為75% 85%的碳化硅、5% 10%的釔鋁石榴石和10% 15%的納米顆粒組成主原料，依次包括以下步驟
1) 、將上述主原料、粘結(jié)劑、水溶性高分子混合物溶膠和分散劑加入去 離子水中，球磨混合5 20小時后，配制成固相含量為30% 60%水基碳化 硅漿料；所述粘結(jié)劑、水溶性高分子混合物溶膠和分散劑的重量分別是主原 料的0.5%~3%、 0.5% 2%和0.5% 1.5%;
2) 、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅 造粉粒；漿料流量為3 7Kg/h，熱風進口溫度為200 25(TC;
3) 、對上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓 的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；
4) 將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至1900 200(TC保溫 0.5~1小時，再降溫至1760 185(TC保溫0.5 5小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復 合碳化硅陶瓷。
作為本發(fā)明的納米復合碳化硅陶瓷的制備方法的改進納米顆粒為納米 碳化硅、納米碳化鈦和納米氮化鈦中的至少一種。粘結(jié)劑為酚醛樹脂或糊精， 水溶性高分子混合物溶膠為聚乙烯醇(PVA)，分散劑為聚乙二醇(PEG)或 四甲基氫氧化銨(TMAH)。
在本發(fā)明中，固相含量為30% 60。％水基碳化硅漿料指的是(主原料+ 粘結(jié)劑+水溶性高分子混合物溶膠+分散劑)+ (主原料+粘結(jié)劑+水溶性高分 子混合物溶膠+分散劑+去離子水)=30% 60。％。
本發(fā)明還同時提供了按照上述任意一種方法所制備的納米復合碳化硅陶瓷。
本發(fā)明的納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，具有以下優(yōu)點
(1) 在步驟l)中，依靠球磨混合，使納米顆粒和亞微米(微米)粉體均 勻混合，從而制備出了納米顆粒均勻分散的漿料。
(2) 在步驟2)中，利用噴霧造粒工藝將混合好的槳料直接噴霧到熱空氣 中，在非常短的時間內(nèi)干燥，避免了納米顆粒的再團聚和沉降分離，保持了 漿料原有的均勻性，實現(xiàn)了納米顆粒均勻分散的復合粉體的制備。在本步驟 中，通過調(diào)節(jié)熱風進口溫度和漿料流量，從而控制造粒球的含水率、流動性 及強度，最終制備出流動和成型性能良好的碳化硅造粒粉。
(3) 引入釔鋁石榴石作為燒結(jié)助劑，降低了燒結(jié)溫度，避免了納米顆粒 在較高的溫度下迅速長大，從而抑制了納米晶粒的生長。
(4) 采用真空無壓燒結(jié)技術(shù)，工藝簡便，更能適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。
(5) 納米復相碳化硅陶瓷中的納米顆粒能夠抑制碳化硅晶粒的生長，使 碳化硅晶粒尺寸細小均勻(圖2)，平均粒徑在0.5 2pm之間，從而提高了材 料的強度，同時納米顆粒通過裂紋橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋彎曲增加了材料的 韌性。依據(jù)本發(fā)明制得的碳化硅陶瓷，其體密為3.10~3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa，抗彎強度為450 ~ 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
(6) 本發(fā)明的納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，工藝簡便、低成本，能 適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。
圖1是步驟2)所得的碳化硅造粉粒的形貌示意圖2是最終所得的納米復合碳化硅陶瓷斷面的晶像示意圖。
具體實施例方式
以下所有實施例中的份數(shù)均代表重量份。
實施例l: 一種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，以85份碳化硅、5份 釔鋁石榴石、5份納米碳化硅和5份納米碳化鈦組成主原料，依次進行以下步
1) 、將上述主原料、2份酚醛樹脂、0.5份PVA和1份PEG加入200份 去離子水中，球磨混合5小時后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅 造粉粒；噴霧造粒的工藝條件如下漿料流量為6Kg/h，熱風進口溫度為200 。C;
3 )、對上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓 的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；
4)將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至190(TC保溫1小時， 再降溫至176(TC保溫5小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復合碳化硅陶瓷。
該納米復合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 28GPa， 抗彎強度為450 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
實施例2: —種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，以80份碳化硅、8份 釔鋁石榴石、5份納米碳化硅、2份納米碳化鈦和5份納米氮化鈦組成主原料， 依次進行以下步驟
1) 、將上述主原料、3份酚醛樹脂、2份PVA和1.5份PEG加入150份 去離子水中，球磨混合10小時后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅
造粉粒；噴霧造粒的工藝條件如下漿料流量為4Kg/h，熱風進口溫度為225
。C;
3) 、對上述碳化硅造粉粒采用100MPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓 的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；
4) 將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至195(TC保溫0.7小 時，再降溫至180(TC保溫3小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復合碳化硅陶瓷。
該納米復合碳化硅陶瓷的體密為體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa，抗彎強度為450 ~ 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
實施例3: —種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，以75份碳化硅、10份 釔鋁石榴石、5份納米碳化硅、5份納米碳化鈦和5份納米氮化鈦組成主原料，
依次進行以下步驟
1 )、將上述主原料、0.5份糊精、1份PVA和0.5份TMAH加入90份去 離子水中，球磨混合20小時后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅 造粉粒；噴霧造粒的工藝條件如下漿料流量為3Kg/h，熱風進口溫度為250 。C;
3) 、對上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓 的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；
4) 將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至2000'C保溫0.5小 時，再降溫至185(TC保溫0.5小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復合碳化硅陶瓷。
該納米復合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa， 抗彎強度為450 700MPa，斷裂韌性為6 ~ 8MPa'm1/2。
實施例4: 一種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，以85份碳化硅、5份
釔鋁石榴石和IO份納米碳化硅組成主原料，依次進行以下步驟
1) 、將上述主原料、0.5份酚醛樹脂、1份PVA和0.5份TMAH加入200 份去離子水中，球磨混合5小時后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅 造粉粒；噴霧造粒的工藝條件如下漿料流量為5Kg/h，熱風進口溫度為225
。C;
3 )、對上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓 的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；
4)將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至190(TC保溫1小時， 再降溫至176(TC保溫5小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復合碳化硅陶瓷。
該納米復合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa， 抗彎強度為450 700MPa，斷裂韌性為6 ~ 8MPa'm1/2。
以上列舉的僅是本發(fā)明的若干具體實施例，顯然本發(fā)明不限于以上實施 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 導出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，其特征是以重量百分比為75％～85％的碳化硅、5％～10％的釔鋁石榴石和10％～15％的納米顆粒組成主原料，依次包括以下步驟1)、將上述主原料、粘結(jié)劑、水溶性高分子混合物溶膠和分散劑加入去離子水中，球磨混合5～20小時后，配制成固相含量為30％～60％水基碳化硅漿料；所述粘結(jié)劑、水溶性高分子混合物溶膠和分散劑的重量分別是主原料的0.5％～3％、0.5％～2％和0.5％～1.5％；2)、采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅造粉粒；漿料流量為3～7Kg/h，熱風進口溫度為200～250℃；3)、對上述碳化硅造粉粒采用100MPa干壓預壓和250MPa冷等靜壓終壓的二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；4)將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至1900～2000℃保溫0.5～1小時，再降溫至1760～1850℃保溫0.5～5小時，燒結(jié)結(jié)束，得納米復合碳化硅陶瓷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，其特征在于 所述納米顆粒為納米碳化硅、納米碳化鈦和納米氮化釹中的至少一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，其特征在于 所述粘結(jié)劑為酚醛樹脂或糊精，所述水溶性高分子混合物溶膠為聚乙烯醇，所述 分散劑為聚乙二醇或四甲基氫氧化銨。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一種方法所制備的納米復合碳化硅陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米復合碳化硅陶瓷的制備方法，以碳化硅、釔鋁石榴石和納米顆粒組成主原料，包括以下步驟1)將上述主原料、粘結(jié)劑、水溶性高分子混合物溶膠和分散劑加入去離子水中，球磨混合后，配制成固相含量為30％～60％水基碳化硅漿料；2)采用噴霧造粒工藝對水基碳化硅漿料進行噴霧干燥，得碳化硅造粉粒；3)對碳化硅造粉粒采用二步方式成型，獲得高密度的碳化硅素坯；4)將上述碳化硅素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中燒結(jié)。本發(fā)明還公開了上述方法所制備的納米復合碳化硅陶瓷。該方法工藝簡便，所制備的碳化硅陶瓷性能優(yōu)越。
文檔編號C04B35/577GK101100384SQ20071007010
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者傅培鑫, 李海淼, 輝 楊, 郭興忠, 高黎華 申請人:浙江大學