本發(fā)明涉及一種碳化硅的制備方法。
背景技術(shù)：
：碳化硅材料以優(yōu)異的高溫強度、高熱導(dǎo)率、高耐磨性和耐腐蝕性在國防航空、航天、汽車、機械、電子、生物、能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究表明：陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)的均一性及力學(xué)、電學(xué)等物理性能的可靠性主要是由材料中缺陷的多少和尺寸以及不均勻程度決定，而這些缺陷和不均勻結(jié)構(gòu)往往是在材料燒結(jié)之前的制造階段-成型階段所產(chǎn)生的。因而要獲得性能優(yōu)異、可靠性高的陶瓷制品，成型是關(guān)鍵工序之一。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅注漿成型燒結(jié)方法，采用堿洗的方式對碳化硅粉體進(jìn)行改性，并加入cmc作為分散劑，al2o3和y2o3作為燒結(jié)助劑，采用注漿成型燒結(jié)技術(shù)制作碳化硅。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種碳化硅注漿成型燒結(jié)方法，包括如下步驟：一、碳化硅漿體的制備（1）碳化硅粉體的預(yù)處理：采用堿洗的方式對碳化硅粉體進(jìn)行改性，具體步驟如下：將碳化硅粉末與去離子水按比例混合（固體含量40～50wt%），然后用氨水調(diào)節(jié)碳化硅微粉ph在9~11之間并球磨堿洗10~15h，然后用抽濾機將碳化硅進(jìn)行過濾，作為備用；（2）助燒劑的制備：將氧化鋁和氧化釔按照摩爾比3：2的比例進(jìn)行混合，然后將其放入行星球磨罐中，按照球料比為20：1加入陶瓷磨球球磨，使氧化鋁和氧化釔粉末充分混合，球磨完畢后將其過濾、干燥，得到混合均勻的氧化鋁-氧化釔粉末混合物；（3）行星球磨機進(jìn)行漿料球磨：將改性碳化硅粉體和助燒劑放入行星球磨罐中，加入分散劑（羧甲基纖維素）、蒸餾水，并用氨水調(diào)節(jié)ph達(dá)到9~11，加入陶瓷磨球球磨，得到漿料，所述助燒劑加入量為改性碳化硅粉體、助燒劑、分散劑總質(zhì)量的6~12%，分散劑加入量為改性碳化硅粉體、助燒劑、分散劑總質(zhì)量的0.2%；（4）漿料陳腐10~15h；二、注漿成型、脫模、烘干將漿料倒入預(yù)制石膏模型中，室溫下放置20~40min，然后脫模、烘干，得到碳化硅坯體；三、無壓燒結(jié)（1）將碳化硅坯體置于真空管式爐中，在1000~1400℃、的條件下無壓燒結(jié)1~3h，得到碳化硅；（2）將碳化硅坯體置于真空熱壓爐中，在1600~2000℃的條件下無壓燒結(jié)1~3h。本發(fā)明采用堿洗的方式對碳化硅粉體進(jìn)行改性，并加入cmc作為分散劑，al2o3和y2o3（摩爾比3：2）作為燒結(jié)助劑制作碳化硅注漿成型漿料，注漿成型并燒結(jié)，對燒結(jié)完成的碳化硅試件進(jìn)行形貌表征，得出如下結(jié)論：1、6wt%燒結(jié)助劑碳化硅在1200℃、1400℃、1800℃燒結(jié)，1800℃下碳化硅的二次重排效果最好，縫隙與氣孔率也最小，燒結(jié)效果最好。2、燒結(jié)溫度為1800℃時，燒結(jié)助劑含量分別為8wt%和10wt%時，10wt%燒結(jié)助劑的碳化硅試件穿晶斷裂的情況減少，表面更加平整。附圖說明圖1為碳化硅注漿成型燒結(jié)工藝流程圖；圖2為燒結(jié)溫度1000℃的燒結(jié)溫度曲線；圖3為燒結(jié)溫度1200℃的燒結(jié)溫度曲線；圖4為燒結(jié)溫度1400℃的燒結(jié)溫度曲線；圖5為6wt%燒結(jié)助劑1000℃下保溫2h碳化硅試件；圖6為6wt%燒結(jié)助劑碳化硅1000℃保溫2hxrd衍射圖譜；圖7為6wt.%助燒劑碳化硅在保溫2h不同燒結(jié)溫度下表面sem顯微形貌，(a)1200℃，(b)1400℃，（c）1800℃；圖8為不同比例燒結(jié)助劑燒結(jié)助劑碳化硅試件在1800℃下表面sem顯微形貌，（a）8wt%高倍，（b）8wt%低倍，（c）10wt%高倍，（d）10wt%低倍。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。本發(fā)明提供了一種碳化硅注漿成型燒結(jié)方法，如圖1所示，具體制備步驟如下：一、石膏模具的制作1、試件模具的選擇本發(fā)明中，碳化硅注漿成型難以制作體積較大的實心試件，因為制備的漿料在干燥過程中內(nèi)部的水分很難被石膏模吸收，而且碳化硅在干燥過程中的收縮量較大，會導(dǎo)致試件在干燥過程中變形或者開裂。而且試件在干燥過程中由內(nèi)到外存在一定的干燥梯度，導(dǎo)致干燥完的試件表面產(chǎn)生裂紋。因此選擇制作厚度較小的片狀試件，試件的模具也選擇厚度較小的片狀的木質(zhì)模具作為試件的模具。2、石膏模具的制作流程將石膏粉與去離子水按照2：1的比例進(jìn)行混合，然后將混合好的石膏液注入矩形模具中，在室溫下讓石膏液自然干燥10min后將選擇好的試件模具放在石膏模具上，用力按壓，將試件模具按進(jìn)石膏模具表面，由于制作的是厚度較小的片狀試件，按壓時要平衡用力，防止試件槽左右深淺不同而導(dǎo)致試件的厚度不均勻，試件模具按壓完成之后，留好起模斜度并做好鑄造澆口和出氣孔，接著在石膏模具表面鋪上一層薄塑料，再重新制作石膏液，然后將制作完成的倒入模具中，室溫下干燥25min后將石膏模小心取出并分開，將試件模具小心取出，并對模具表面以及試件的模型進(jìn)行修整，然后將石膏模具室溫干燥12h備用。二、碳化硅漿料的制備：1、國產(chǎn)亞微米級碳化硅粉體的預(yù)處理：對國產(chǎn)亞微米級碳化硅微粉進(jìn)行堿洗處理，將碳化硅粉末與去離子水按比例混合（固體含量45wt%），然后用氨水對碳化硅微粉ph進(jìn)行調(diào)節(jié)（ph=10）并球磨堿洗12h，然后用抽濾機將碳化硅進(jìn)行過濾，并多次清洗備用。2、助燒劑al2o3、y2o3粉體的制備：將氧化鋁和氧化釔按照摩爾比3：2的比例進(jìn)行混合，然后將其放入行星球磨罐中，按照一定球料比例加入陶瓷磨球，設(shè)定轉(zhuǎn)速300r/min球磨30min，讓氧化鋁和氧化釔粉末充分混合，球磨完畢后將其過濾，置于真空干燥箱中進(jìn)行干燥，得到混合均勻的氧化鋁和氧化釔粉末混合物。3、行星球磨機進(jìn)行漿料球磨：將預(yù)處理完畢的國產(chǎn)亞微米級碳化硅微粉和制備完成的氧化鋁氧化釔粉末放入行星球磨罐中，再加入分散劑羧甲基纖維素、蒸餾水，并用氨水調(diào)節(jié)ph（ph=10），磨球選擇陶瓷磨球，球料比3：1，轉(zhuǎn)速選擇300r/min，球磨24h后將漿料取出。4、漿料的陳腐：經(jīng)過粗練或真空煉泥的泥料在一定的溫度和濕度的環(huán)境中放置一段時間，這個過程稱為陳腐或者悶料，陳腐的主要作用是：通過毛細(xì)管的作用使泥料中的水分更加均勻分布；陶瓷顆粒充分水化，從而提高塑性。通過發(fā)生一些氧化與還原反應(yīng)使泥料松散而均勻，經(jīng)過陳腐后可提高坯體的強度，減少燒成的變形機會。注漿泥料陳腐后，促使粘度降低，流動性和空漿性能都可改善。本發(fā)明漿料陳腐12h。三、注漿成型：泥漿注入模具后，在石膏模毛細(xì)管力的作用下吸收泥漿中的水，靠近模壁的泥漿中的水分首先被吸收，泥漿中的顆粒開始靠近，形成最初的薄泥層。水分進(jìn)一步被吸收，其擴(kuò)散動力為水分的壓力差和濃度差，薄泥層逐漸變厚，泥層內(nèi)部水分向外部擴(kuò)散，當(dāng)泥層厚度達(dá)到注件厚度時，就形成雛坯。將制作完成的碳化硅漿料小心倒入石膏模具中，并每隔3min注漿一次，直至石膏模具的試件模型被填滿，注漿結(jié)束。本發(fā)明中所選取的注漿成型的原料配比如表1所示，6wt%助燒劑碳化硅試件不同燒結(jié)溫度制備試件原料配比如表2所示。表1注漿用碳化硅漿料各組分配比試樣1試樣2試樣3試樣4sic（wt.%）93.891.889.887.8al2o3與y2o3（wt.%）681012cmc（wt.%）0.20.20.20.2表26wt%助燒劑碳化硅試件不同燒結(jié)溫度制備試件原料配比試樣5試樣6試樣7試樣8sic（wt.%）93.893.893.893.8al203與y2o3（wt.%）6666cmc（wt.%）0.20.20.20.2燒結(jié)溫度（℃）1000120014001800四、試件脫模：將制作好的碳化硅漿料倒入事先制作好的石膏模具中，室溫下放置30min，依靠石膏模具的吸水性將漿料中的水分吸收得到含水量相對較小的坯體，把石膏模具上半部分小心取下，將坯體取出后并對其外形進(jìn)行修整。五、烘干：將修整好的碳化硅坯體放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，去除碳化硅坯體中的剩余水分，本發(fā)明是將碳化硅坯體放在40℃的真空干燥箱中干燥12h后備用。六、無壓燒結(jié)：無壓燒結(jié)是一種常規(guī)的燒結(jié)方法，它是指在常壓下，通過對制品加熱而燒結(jié)的一種方法，這是目前最常用，也是最簡單的一種燒結(jié)方式。注漿完成的碳化硅坯體中還含有少量的有機物和分散劑，對其進(jìn)行低溫?zé)o壓燒結(jié)，使用真空管式爐對碳化硅坯體進(jìn)行燒結(jié)，室溫20℃，設(shè)定管式爐升溫速率為10℃/min，升溫時間58min，保溫時間30min，降溫速率設(shè)定為10℃/min，降溫時長58min，然后將試件取出。將4組試件分別在1000℃、1200℃、1400℃、1800℃保溫120min，待爐溫下降到室溫將試件取出，準(zhǔn)備測試。無壓燒結(jié)1000℃、1200℃、1400℃在真空管式爐中完成，無壓燒結(jié)1800℃在真空熱壓爐中完成。1、碳化硅試件在真空管式爐中的無壓燒結(jié)將燒結(jié)溫度為1000℃的試件標(biāo)號為1，然后將試件按照順序放置在坩堝上，打開真空管式爐爐門并對真空管式爐內(nèi)壁進(jìn)行擦拭與打磨，然后將承載試件的坩堝放入真空管式爐的燒結(jié)段，將爐芯和爐門關(guān)閉并將爐門螺絲擰緊，然后打開電源，將氣泵打開，待壓力表的示數(shù)降低到0pa時并將真空管式爐的電源打開，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將程序設(shè)定鍵打開，開始設(shè)定程序。設(shè)置真空管式爐的起始溫度c-01為20℃，升溫速率設(shè)定為10℃/min，所以將升溫時間t-01設(shè)定為98min，設(shè)置燒結(jié)溫度c-02為1000℃，保溫時間t-02設(shè)定為120min，保溫結(jié)束溫度c-03為1000℃，降溫速率為10℃／min，將t-03設(shè)置98min，將c-04設(shè)置為20℃。程序編輯結(jié)束，然后運行程序，待程序結(jié)束，接著把機器按照關(guān)機順序關(guān)閉，將與氣泵相連的爐門上的閥門關(guān)緊，然后將泵關(guān)閉，然后打開兩個爐門，將試件取出。圖2為燒結(jié)溫度為1000℃的燒結(jié)溫度曲線。將燒結(jié)溫度為1200℃的試件標(biāo)號為2，然后按照以上要求進(jìn)行操作，然后開始設(shè)定程序。設(shè)置真空管式爐的起始溫度c-01為20℃，升溫速率設(shè)定為10℃／min，所以將升溫時間t-01設(shè)定為118min，設(shè)置燒結(jié)溫度c-02為1200℃，保溫時間t-02設(shè)定為120min，保溫結(jié)束溫度c-03為1200℃，降溫速率為10℃/min，將t-03設(shè)置為118min，將c-04設(shè)置為20℃。程序編輯結(jié)束，然后運行程序，待程序結(jié)束，接著把機器按照關(guān)機順序關(guān)閉，將與氣泵相連的爐門上的閥門關(guān)緊，然后將泵關(guān)閉，然后打開兩個爐門，將試件取出。圖3為燒結(jié)溫度為1200℃的燒結(jié)溫度曲線。將燒結(jié)溫度為1400℃的試件標(biāo)號為3，然后按照以上要求進(jìn)行操作，然后開始設(shè)定程序。設(shè)置真空管式爐的起始溫度c-01為20℃，升溫速率設(shè)定為10℃/min，所以將升溫時間t-01設(shè)定為138min，設(shè)置燒結(jié)溫度c-02為1400℃，保溫時間t-02設(shè)定為120min，保溫結(jié)束溫度c-03為1400℃，降溫速率為10℃/min，將t-03設(shè)置為138min，將c-04設(shè)置為20℃。程序編輯結(jié)束，然后運行程序，待程序結(jié)束，接著把機器按照關(guān)機順序關(guān)閉，將與氣泵相連的爐門上的閥門關(guān)緊，然后將泵關(guān)閉，然后打開兩個爐門，將試件取出。圖4為燒結(jié)溫度為1400℃的燒結(jié)溫度曲線。2、碳化硅試件在真空熱壓爐中的無壓燒結(jié)將兩個6wt%助燒劑燒結(jié)溫度1800℃的試件標(biāo)號為4和5，將8wt%助燒劑燒結(jié)溫度1800℃的試件標(biāo)號為6，將10wt%助燒劑燒結(jié)溫度1800℃的試件標(biāo)號為7，將12wt%助燒劑燒結(jié)溫度1800℃的試件標(biāo)號為8，將這五個試件放置在陶瓷皿上，將真空熱窯爐爐體封閉，然后打開水泵，將真空泵打開，并按照說明打開和關(guān)閉機械泵和擴(kuò)散泵，設(shè)定燒結(jié)溫度和時間，待燒結(jié)結(jié)束后，按照操作規(guī)程，關(guān)閉機器、擴(kuò)散泵和機械泵，最后關(guān)閉水閥，待爐體冷卻至室溫，將試件取出，按照標(biāo)號將試件分別裝入試樣袋中。七、實驗結(jié)果及分析1、碳化硅注漿成型待測試樣（1）燒結(jié)完成的碳化硅試件圖5為燒結(jié)完成的6wt%燒結(jié)助劑真空管式爐燒結(jié)1000℃下保溫2h碳化硅試件，其直徑為30mm，厚度為3mm。（2）物相分析圖6為6wt%燒結(jié)助劑碳化硅1000℃保溫2h的xrd衍射圖譜。從圖中可以明顯看出，燒結(jié)完成的碳化硅試件中的主要幾種物質(zhì)分別為sic、y2o3和aln，aln的存在是因為試件中的部分氨氣與燒結(jié)助劑中的al2o3發(fā)生了反應(yīng)。漿料中的氨水未除盡導(dǎo)致aln的產(chǎn)生。2、試件顯微形貌分析（1）試件顯微形貌分析從圖7中可以明顯看出，隨著溫度的增加碳化硅的晶粒大小逐漸增加，這是因為隨著燒結(jié)溫度的增加，試件中的液相量增加，而液相量的粘度降低，粘度較低的液相可以填補燒結(jié)過程中的晶粒之間縫隙，碳化硅表面的氣孔率也有明顯下降使試件中晶?？梢蚤L大。從圖8中可以看出當(dāng)碳化硅試件的燒結(jié)溫度為1800℃時，試件隨著助燒劑的質(zhì)量百分比的增加，穿晶斷裂的情況減少，表面形貌的到極大改善。當(dāng)前第1頁12