專利名稱：納米復(fù)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(fù)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(dǎo)熱性和電氣絕緣性、半導(dǎo)體性和電導(dǎo)性、耐熱、耐腐蝕以及高溫力學(xué)和熱 學(xué)性能優(yōu)良等。碳化硅陶瓷已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、石油化工、冶 金等工業(yè)領(lǐng)域以及國(guó)防工業(yè)，并被國(guó)際上確認(rèn)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(qiáng)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(shí)，高速發(fā)展中的國(guó)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(qiáng)增韌手段制備碳化硅基復(fù)合材 料，提高其強(qiáng)度及韌性，才能更好地滿足碳化硅陶瓷在國(guó)防、空間技術(shù)等尖 端領(lǐng)域應(yīng)用的要求。制備高強(qiáng)、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(fù)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(xué)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(dǎo)致了納米材料在熔點(diǎn)、蒸汽壓、相變溫度、光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)反
應(yīng)性質(zhì)、磁性、超導(dǎo)及塑性變形等許多物理和化學(xué)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(shí)強(qiáng)度提高、燒結(jié)溫度降低 等。但陶瓷材料在高溫處理時(shí)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(fù)相陶瓷的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。納米復(fù)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(shí)起到對(duì)材料的強(qiáng)化與增韌的效果。 納米顆粒在陶瓷基體中通過對(duì)基體晶界的釘扎、強(qiáng)化作用及在基體晶界中形 成位錯(cuò)網(wǎng)來增加陶瓷材料的強(qiáng)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(fù)相陶瓷材料的開發(fā)以及增韌增強(qiáng)理論及方法得到很好的發(fā) 展，但仍然存在以下問題
1) 機(jī)械混合法是目前應(yīng)用最多、最簡(jiǎn)便的制備復(fù)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(tuán)聚、沉 降，導(dǎo)致納米顆粒不能均勻分散，最終將影響納米復(fù)相陶瓷的性能。
2) 目前納米復(fù)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(duì)燒結(jié)設(shè)備有很高的要求，而且工藝復(fù) 雜，成本高，很難實(shí)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(fù)合碳化硅陶瓷及其制備方 法，該方法工藝簡(jiǎn)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(qiáng)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(fù)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(shí)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(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)行噴霧干燥，得碳化硅 造粉粒；漿料流量為3 7Kg/h，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為200 25(TC;
3) 、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預(yù)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(shí)，再降溫至1760 185(TC保溫0.5 5小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù) 合碳化硅陶瓷。
作為本發(fā)明的納米復(fù)合碳化硅陶瓷的制備方法的改進(jìn)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(shí)提供了按照上述任意一種方法所制備的納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
本發(fā)明的納米復(fù)合碳化硅陶瓷的制備方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
(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(shí)間內(nèi)干燥，避免了納米顆粒的再團(tuán)聚和沉降分離，保持了 漿料原有的均勻性，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒均勻分散的復(fù)合粉體的制備。在本步驟 中，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)進(jìn)口溫度和漿料流量，從而控制造粒球的含水率、流動(dòng)性 及強(qiáng)度，最終制備出流動(dòng)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(zhǎng)大，從而抑制了納米晶粒的生長(zhǎng)。
(4) 采用真空無壓燒結(jié)技術(shù)，工藝簡(jiǎn)便，更能適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。
(5) 納米復(fù)相碳化硅陶瓷中的納米顆粒能夠抑制碳化硅晶粒的生長(zhǎng)，使 碳化硅晶粒尺寸細(xì)小均勻(圖2)，平均粒徑在0.5 2pm之間，從而提高了材 料的強(qiáng)度，同時(shí)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(qiáng)度為450 ~ 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
(6) 本發(fā)明的納米復(fù)合碳化硅陶瓷的制備方法，工藝簡(jiǎn)便、低成本，能 適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)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(fù)合碳化硅陶瓷斷面的晶像示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下所有實(shí)施例中的份數(shù)均代表重量份。
實(shí)施例l: 一種納米復(fù)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(jìn)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(shí)后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)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(fēng)進(jìn)口溫度為200 。C;
3 )、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預(yù)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(shí)， 再降溫至176(TC保溫5小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
該納米復(fù)合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 28GPa， 抗彎強(qiáng)度為450 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
實(shí)施例2: —種納米復(fù)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(jìn)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(shí)后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)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(fēng)進(jìn)口溫度為225
。C;
3) 、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用100MPa干壓預(yù)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(shí)，再降溫至180(TC保溫3小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
該納米復(fù)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(qiáng)度為450 ~ 700MPa，斷裂韌性為6 8MPa'm1/2。
實(shí)施例3: —種納米復(fù)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(jìn)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(shí)后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)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(fēng)進(jìn)口溫度為250 。C;
3) 、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預(yù)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(shí)，再降溫至185(TC保溫0.5小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
該納米復(fù)合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa， 抗彎強(qiáng)度為450 700MPa，斷裂韌性為6 ~ 8MPa'm1/2。
實(shí)施例4: 一種納米復(fù)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(jìn)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(shí)后，配制成水基碳化硅漿料；
2) 、采用噴霧造粒工藝對(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)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(fēng)進(jìn)口溫度為225
。C;
3 )、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用lOOMPa干壓預(yù)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(shí)， 再降溫至176(TC保溫5小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
該納米復(fù)合碳化硅陶瓷的體密為3.10 3.30g/cm3，硬度為20 ~ 28GPa， 抗彎強(qiáng)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(shí)施例，顯然本發(fā)明不限于以上實(shí)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(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種納米復(fù)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(shí)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(duì)上述水基碳化硅漿料進(jìn)行噴霧干燥，得碳化硅造粉粒；漿料流量為3～7Kg/h，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為200～250℃；3)、對(duì)上述碳化硅造粉粒采用100MPa干壓預(yù)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(shí)，再降溫至1760～1850℃保溫0.5～5小時(shí)，燒結(jié)結(jié)束，得納米復(fù)合碳化硅陶瓷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)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(fù)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(fù)合碳化硅陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米復(fù)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(duì)水基碳化硅漿料進(jìn)行噴霧干燥，得碳化硅造粉粒；3)對(duì)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(fù)合碳化硅陶瓷。該方法工藝簡(jiǎn)便，所制備的碳化硅陶瓷性能優(yōu)越。
文檔編號(hào)C04B35/577GK101100384SQ20071007010
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)