專利名稱：碳化硅復相陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳化硅復相陶瓷的制備方法。
背景技術：
碳化硅陶瓷作為一種高溫結構陶瓷，具有許多優良特性，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良等。碳化硅陶瓷已經被廣泛地應用于機械、電子、石油化工、冶金等工業領域以及國防工業，并被國際上確認為自金屬、氧化鋁、硬質合金以來的第四種基本機械密封材料。
但高純的碳化硅很難進行致密化燒結，通常需要添加燒結助劑。燒結助劑一般常用的有B-C、Al-B-C、Al2O3、AlN-Y2O3，Al2O3-Re2O3等，Re為稀土元素的一種或幾種，其中最有效的燒結助劑是Al2O3-Y2O3，以釔鋁石榴石(Y3Al5O12，簡稱YAG)為主要燒結助劑的碳化硅陶瓷，由于在較低的溫度下即可實現致密化燒結，被認為是最具有發展前景的碳化硅基陶瓷體系之一。
關于釔鋁石榴石作為燒結助劑制備碳化硅陶瓷的方法，在公開專利US 445238、CN1552664A等多篇公報中已經公開。上述方法普遍采用機械共混法直接引入氧化鋁和氧化釔混合物，利用高溫下氧化鋁和氧化釔生成釔鋁石榴石來制備碳化硅復相陶瓷；上述方法存在著以下缺點混料不勻，導致燒結助劑在碳化硅基體中分布不均勻；且燒結溫度需要控制在1950℃以上，從而導致氧化鋁與碳化硅進行反應產生揮發，造成有效成分的流失。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能改善碳化硅復相陶瓷燒結性能、從而提高其力學性能和熱學性能的碳化硅復相陶瓷制備方法。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復合粉體，先將復合粉體依次采用干壓預壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進行真空無壓燒結；該復合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石；該復合粉體的制備過程包括以下步驟
1)、將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌8～12分鐘，所述釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，所述硝酸鋁和硝酸釔的重量之和與去離子水的重量比為2.5～7.7∶100；再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石，所述六次甲基四胺溶液與去離子水的重量比為0.25～1∶100；2)、在上述透明溶膠狀的釔鋁石榴石中加入碳化硅細粉，經50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得到復合凝膠；3)、待上述復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時得到復合粉體。
作為本發明的碳化硅復相陶瓷的制備方法的改進干壓預壓的壓力為100～180MPa，冷等靜壓終壓的壓力為200～250MPa；燒結溫度為1860℃～1900℃、時間為1～4個小時。
本發明的碳化硅復相陶瓷的制備方法，屬于一種引入燒結助劑的碳化硅復相陶瓷的制備方法，具體的說，特別是溶膠-凝膠引入釔鋁石榴石的碳化硅陶瓷的制備方法。
本發明是發明人經過認真研究、實驗所獲得的。本發明采用無機鹽溶膠-凝膠法引入助燒劑釔鋁石榴石，實現了助燒劑與碳化硅基體的充分混合和均勻分布；并采用二步成型技術，在較低溫度下實現了復合粉體的致密化燒結。因此可以克服現有技術中的機械共混法的缺點；有效實現助燒劑成分均勻化，提高復合粉體的活性，降低了燒結溫度，改善了碳化硅陶瓷的燒結性能，提高了碳化硅陶瓷的力學性能和熱學性能。依據本發明制得的碳化硅復相陶瓷，其密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。


圖1是本發明過程中制得的復合粉體掃描電鏡照片；圖2是本發明最終制得的碳化硅復相陶瓷截面的掃描電鏡照片。
具體實施例方式
實施例1、一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟(以下份數均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌10分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為4份；再緩慢加入0.25份的六次甲基四胺溶液，在50℃混合攪拌15分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述8份透明釔鋁石榴石溶膠中加入92份碳化硅細粉，經80℃水浴中攪拌15分鐘得到復合凝膠；3)、待上述復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理4小時得到碳化硅復合粉體，此復合粉體表觀形貌如圖1所示；4)、將上述復合粉體先采用100～180MPa干壓預壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無壓燒結爐中，升溫至1860℃保溫4個小時，獲得碳化硅復相陶瓷。
該碳化硅復相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。其結構如圖2所示。
實施例2、一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟(以下份數均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌8分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為2.5份；再緩慢加入0.5份的六次甲基四胺溶液，在35℃混合攪拌20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述5份透明釔鋁石榴石溶膠中加入95份碳化硅細粉，經50℃水浴中攪拌30分鐘得到復合凝膠；3)、待上述復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2小時得到碳化硅復合粉體；4)、將上述復合粉體先采用100～180MPa干壓預壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無壓燒結爐中，升溫至1900℃保溫1個小時，獲得碳化硅復相陶瓷。
該碳化硅復相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。
實施例3、一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟(以下份數均為重量份)1)、用硝酸釔、硝酸鋁為前驅體原料，六次甲基四胺為催化劑，去離子水做溶劑；將硝酸釔、硝酸鋁分別加入100份的去離子水中混合攪拌12分鐘，釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，硝酸鋁和硝酸釔的重量之和為7.7份；再緩慢加入1份的六次甲基四胺溶液，在80℃混合攪拌10分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)、在上述15份透明釔鋁石榴石溶膠中加入85份碳化硅細粉，經70℃水浴中攪拌20分鐘得到復合凝膠；3)、待上述復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理6小時得到碳化硅復合粉體；4)、將上述復合粉體先采用100～180MPa干壓預壓，再用200～250MPa冷等靜壓終壓，獲得素坯；將素坯放在真空無壓燒結爐中，升溫至1880℃保溫2個小時，獲得碳化硅復相陶瓷。
該碳化硅復相陶瓷密度為3.15～3.25g/cm3，硬度為22～28GPa，抗彎強度為450～600MPa，斷裂韌性為4.5～7MPa·m1/2。
為了證明本發明方法所制得的碳化硅復相陶瓷性能的優越性，發明人作了如下對比試驗采用現有技術的機械共混法制備氧化鋁和氧化釔的混合物與碳化硅的重量比為8∶92，其中釔和鋁原子摩爾比為3∶5。
將氧化鋁和氧化釔直接加入到SiC粉體，去離子水為球磨介質，機械球磨共混6小時，制備得到碳化硅復合粉體；復合粉體的成形采用180MPa干壓預壓，250MPa冷等靜壓終壓；將素坯放入真空無壓燒結爐中，升溫至1950℃保溫1小時，獲得所需碳化硅陶瓷比較樣。其體積密度3.20g/cm3，硬度為22GPa，抗彎強度為450MPa，斷裂韌性為4.9·m1/2。
將本發明方法與對比試驗方法所得的兩種碳化硅復相陶瓷進行對比得到本發明即溶膠-凝膠法引入釔鋁石榴石制備的碳化硅復合粉體中，釔鋁石榴石的分布更為均勻，燒結溫度降低50℃～100℃，碳化硅陶瓷的結構及力學性能更加優越。這是因為采用溶膠-凝膠法提前在碳化硅表面形成了釔鋁石榴石燒結助劑相，在釔鋁石榴石的液相線溫度(1760℃)就能形成液相，致密化碳化硅，而機械共混法需要在1760℃以上，氧化鋁和氧化釔才開始發生反應生成釔鋁石榴石，并產生液相進行致密化，因此只有在較高的溫度才能完成碳化硅致密化過程，如果氧化鋁和氧化釔在碳化硅基體中分布不均勻，必然導致燒結溫度更高，碳化硅陶瓷結構及性能變差。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復合粉體，先將復合粉體依次采用干壓預壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進行真空無壓燒結；其特征是所述復合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石；所述復合粉體的制備過程包括以下步驟1)、將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌8～12分鐘，所述釔和鋁的原子摩爾比為3∶5，所述硝酸鋁和硝酸釔的重量之和與去離子水的重量比為2.5～7.7∶100；再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石，所述六次甲基四胺溶液與去離子水的重量比為0.25～1∶100；2)、在上述透明溶膠狀的釔鋁石榴石中加入碳化硅細粉，經50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得到復合凝膠；3)、待上述復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時得到復合粉體。
2.根據權利要求1所述的碳化硅復相陶瓷的制備方法，其特征是所述干壓預壓的壓力為100～180MPa，所述冷等靜壓終壓的壓力為200～250MPa；所述燒結溫度為1860℃～1900℃、時間為1～4個小時。
全文摘要
本發明公開了一種碳化硅復相陶瓷的制備方法，包括由碳化硅和釔鋁石榴石組成的復合粉體，先將復合粉體依次采用干壓預壓和冷等靜壓終壓處理，再將處理后所得的素坯進行真空無壓燒結；該復合粉體的重量百分比組成為85％～95％的碳化硅和5％～15％的釔鋁石榴石，其制備過程包括以下步驟1)將硝酸鋁、硝酸釔分別加入去離子水中混合攪拌，再緩慢加入六次甲基四胺溶液，在35～80℃混合攪拌10～20分鐘，得到透明溶膠狀的釔鋁石榴石；2)再加入碳化硅細粉，經50℃～80℃水浴攪拌15～30分鐘得復合凝膠；3)待復合凝膠陳化干燥后，在900℃～920℃熱處理2～6小時得復合粉體。采用本發明方法制備的碳化硅復相陶瓷，具有較好的力學性能和熱學性能。
文檔編號C04B35/626GK101037335SQ20071006727
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月15日 優先權日2007年2月15日
發明者郭興忠, 楊輝, 傅培鑫, 高黎華, 馬奇, 李海淼 申請人:浙江大學