以顆粒級配粉體為原料制備致密固相燒結碳化硅的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種W顆粒級配粉體為原料制備致密固相燒結碳化娃的方法。
【背景技術】
[0002] 固相燒結碳化娃陶瓷具有高溫強度高、熱導率高、耐化學腐蝕性優異等特點。1975 年，Prochazka等首次W棚和碳作為燒結助劑實現了碳化娃陶瓷的致密化。自此，在固相燒 結SiC陶瓷的研究與生產的過程中，所用的均為原料亞微米級或納米級的SiC粉體，廉價的 微米級SiC粉體從未使用過，運導致了如下不足： 1) 由于亞微米粉或納米粉，粒徑小，比表面積大，表面能高，燒結活性強，在高溫條件下 (2050~2200°C )，燒結樣品中易出現晶粒的異常生長而出現較大尺寸的晶粒，尤其是在無 壓燒結的條件下，使得樣品的強度和初性等力學性能惡化。為了解決運個問題，通常采取熱 壓燒結或兩步燒結法，但是熱壓燒結不利于大尺寸或復雜形狀樣品的制備；而兩步燒結法 則難已控制，且燒結時間長； 2) 由于亞微米粉或納米粉比表面積大，在漿料中容易存在團聚，會增加漿料的粘度。 在固相燒結碳化娃陶瓷的濕法成型中，包括注漿成型與凝膠注模成型，要求漿料具有低粘 度、高固含量。全部使用亞微米級或納米級SiC粉作為原料，即使在分散劑（如四甲基氨 氧化錠或聚丙締亞胺）的作用下，在滿足良好流動性的前提條件下，體積固化量難W超過 SOvol % ； 3) 亞微米級或納米級SiC粉制備過程復雜，價格遠高于微米級SiC粉體，全部使用亞微 米級或納米級SiC粉作為原料，不利于固相燒結碳化娃陶瓷的低成本化生產。
[0003] 顆粒級配后，均勻分散于細粉中，由于微米級粉體，燒結活性低，在燒結過程可W 起到釘扎作用，阻礙晶界遷移，避免得到晶粒的異常生長，得到小晶粒且尺寸均勻的晶粒 結構，從而得到力學性能優異的固相燒結碳化娃陶瓷。另外，通過顆粒級配的方式可W解 決高固含量、低粘度漿料的制備問題，例如Valamakanni等（Velamakanni B V, Lange F F. Effect of interparticle potentials and sedimentation on particle packing density of bimod曰I particle distributions during pressure fiItr曰tion. J Am Ceram Soc 1991 ;74:166-72.)觀察到含 60wt. %粗粉（I. 3 y m)和 40wt. %細粉 〇). 5 y m)的二元 級配氧化侶粉體的漿料粘度比全細粉的漿料低50 %;謝志鵬等燈i Z，Xie Z，化ang Y，Ma J, Cheng Y. Study on gelcasting and properties of recrystallized silicon carbide. Ceram Int 2002;28:369-76.)通過顆粒級配的方式，制備出了體積固含量高達75vol%的 SiC漿料，用于重結晶碳化娃的凝膠注模成型。最后，廉價的微米級SiC粉體的引入，可顯著 降低固相燒結碳化娃陶瓷的生產成本。
[0004] 本發明針對在固相燒結碳化娃陶瓷的制備過程中全部使用亞微米級或納米級SiC 粉體而導致的問題，提出一種W顆粒級配的粉體為原料制備致密固相燒結碳化娃的方法。
【發明內容】
陽〇化]在此，本發明提供一種W顆粒級配粉體為原料制備致密固相燒結碳化娃的方法， 所述方法是將含有顆粒級配碳化娃粉體和燒結助劑的復合粉體經成型、燒結制備致密固相 燒結碳化娃陶瓷，其中，顆粒級配碳化娃粉體包括：微米級碳化娃粉體、W及亞微米級碳化 娃粉體和/或納米級碳化娃粉體，所述微米級碳化娃粉體與所述亞微米級碳化娃粉體和/ 或納米級碳化娃粉體的質量比為（2~0.05) :1。
[0006] 本發明通過低成本的微米級粉體的引入，降低固相燒結碳化娃陶瓷的生產成本； 并提高巧體的密度，減少收縮，有利于減少大尺寸樣品的燒結變形或開裂；另外，利用微米 級粉體的低燒結活性，發揮釘扎作用，阻礙燒結過程中晶粒異常長大，進而改善性能；此外， 微米級粉體團聚少，在注漿或凝膠注模等濕法成型中，顆粒級配粉的使用便于制備低粘度、 高固含量的漿料。
[0007] 較佳地，所述微米級碳化娃粉體的中位粒徑為1. 0~50. 0 ym，所述亞微米級碳化 娃粉體的中位粒徑為0. 1~1. 0 ym，所述納米級碳化娃粉體的中位粒徑為5皿~100皿。 [000引較佳地，所述燒結助劑為BaC粉和/或棚粉、W及碳粉，其中所述BaC粉和/或棚粉 占所述顆粒級配碳化娃粉體的質量的0.1 wt. %~3. Owt. %，碳粉，所述碳粉占所述顆粒級 配碳化娃粉體的質量的0. 5wt. %~7wt. %。
[0009] 較佳地，所述成型的方法包括干壓成型、注漿成型或凝膠注模成型。
[0010] 較佳地，在所述注漿成型或所述凝膠注模成型中，陶瓷漿料的粘度為0.1~ 2化? S，體積固含量為50~60VOl %。
[0011] 較佳地，所述燒結的燒結溫度為2000~2200°C，燒結時間為0. 5~3小時，燒結氣 氛為氣氣。
[0012] 本發明中，所制得的致密固相燒結碳化娃陶瓷的燒結線性收縮率為12%~20%， 體積密度為3. 08~3. 18g/cm3。
[0013] 本發明中，所制得的致密固相燒結碳化娃陶瓷的抗彎強度為360~450MPa，斷裂 初性為3. 6~4. SMPa ? mi々。
[0014] 本發明中，所制得的致密固相燒結碳化娃陶瓷的晶粒為等軸，粒徑均勻，大小與微 米級粉體的尺寸一致。
[0015] 本發明的優點在于： (1) 本發明采用廉價的微米級SiC粉體作為固相燒結碳化娃陶瓷的主要原料之一，可 顯著降低生產成本； (2) 本發明可W提高巧體的密度，減少收縮，有利于減少大尺寸樣品的燒結變形或開 裂； (3) 本發明可抑制固相燒結碳化娃陶瓷中的異常晶粒長大，得到等軸、細小、尺寸均勻 的晶粒，改善力學性能； (4) 本發明在濕法成型的過程中可顯著降低漿料粘度，有利于高固含量漿料的制備。
【附圖說明】
[0016] 圖1 (a)為實施例1得到的致密固相燒結碳化娃陶瓷的微觀結構照片（放大倍率 為 500); 圖1(b)為實施例1得到的致密固相燒結碳化娃陶瓷的微觀結構照片（放大倍率為 2000)O
【具體實施方式】
[0017] W下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式 僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0018] 本發明是一種W顆粒級配粉體為原料制備致密固相燒結碳化娃的方法，通過向亞 微米和/或納米SiC粉體中加入微米級SiC粉，混合后得到顆粒級配的SiC粉體，之后向顆 粒級配粉體中加入燒結助劑，經成型、燒結得到致密的固相燒結碳化娃陶瓷。本發明中，可 W采用微米、亞微米的兩級粒度級配，微米、納米的兩級粒度級配，或者微米、亞微米、納米 的=級粒度級配。燒結助劑包括但不限于BaC粉和/或棚粉、與碳粉的組合。
[0019] 更具體地，作為示例，本發明可W包括W下步驟： (1)將微米級SiC粉體與亞微米級和/或納米級SiC粉體均勻混合，得到顆粒級配的粉 體； 似向步驟（1)得到的顆粒級配的粉體中加入占其質量的0.1 wt. % -3. Owt. % B4C粉 和/或棚粉、0. 5wt. % -7wt. %碳粉，得到復合粉體； (3) 將步驟（2)中的復合粉體進行成型，得到生巧； (4) 將步驟（3)中的生巧轉移至爐中，升溫燒結得到致密固相燒結碳化娃陶瓷。
[0020] 所述的微米級SiC粉體的中位粒徑可為1. 0~50. 0 ym ;所述的亞微米級SiC粉 體的中位粒徑可為0. 1~1. 0 y m ;所述的納米級粉體為中位粒徑可為5nm~lOOnm。
[0021] 所述的微米級SiC粉與亞微米級和/或納米級SiC粉體的質量比可為（2~0. 05): Io
[0022] 所述的成型方法包括干壓成型、濕法成型，其中濕法成型包括但不限于注漿成型、 凝膠注模成型等。在濕法成型的情況下，由于在原料中加入了微米級粉體，其團聚少，因此 可W顯著降低漿料粘度，提高固含量。本發明中，陶瓷漿料的粘度可為0. 1~2Pa ? S，體積 固含量可為50~60vol%。
[0023] 所述的燒結溫度可為2000~2200°C，燒結時間可為0.