[发明专利]纯碳粉水基分散一步法制造反应烧结碳化硅陶瓷材料的方法

说明书

本发明属于反应烧结碳化硅材料的低成本制备。

国内近年来，反应烧结碳化硅(RBSC)作为一种高载荷、抗氧化、长寿命的高温结构陶瓷，开始进入耐火材料领域。RBSC是一种含少量游离碳(f_C)和游离硅(f_Si)，几乎没有气孔的致密陶瓷材料，在800～1200℃所谓多孔SiC材料的抗氧化性能的劣化温区，RBSC的强度和抗氧化性能是其它SiC耐火材料所无法比拟的。但是，由于传统方法制造RBSC需要使用人工高温合成的SiC作为原料，然后加上少量碳粉混合成型后，再在高温下渗硅反应烧结而成。这种方法工艺路线长，原料成本和烧结费用高昂。

前俄罗斯学者发明了硅化石墨的生产技术，它主要是沿用石墨制品的制造方法，制成碳质素坯，然后在高温下渗硅，制成以SiC为主晶相的材料。该工艺使用沥青等非极性材料作为粘结剂，干压或热挤塑成型，焙烧后的素坯结构无法精确控制，材料的性能偏低。美国学者发明了一种渗入反应烧结碳化硅技术，该方法系采用有机聚合物材料为原料，经高温控制热解后，得到具有精细碳骨架结构的素坯，然后再渗硅烧结，得到高性能的RBSC材料。由于该技术所用原料成本高，聚合物的高温热解难以控制，无法进入工业应用。

本发明的目的是针对以上存在的问题，利用低廉的工业碳素材料为原料，加入适当的外加剂，用简易的工艺路线制备出成本低、易於工业性生产材料。

下面对本发明的内容进行具体说明。

利用工业碳素材料或石墨粉为原料，以水作为分散介质，加入适当的外加剂，使碳粉在静电位阻和空间位阻的作用下，形成无团聚和聚集的高稳定水基泥浆或泥料；采用水基湿法成型，通过调整碳粉和烧蚀剂、填充剂的粒径和粒径分布以及加入量，精确控制生(素)坯的碳含量和气孔孔径分布；得到具有精细碳骨架结构的生坯，再经渗硅烧结后，获得高性能的RBSC材料，从而实现将SiC原料的合成和RBSC陶瓷材料的制备一步完成，达到降低RBSC陶瓷的制造成本的目的。

本技术与渗入反应烧结法的本质差别，在于采用构筑法制备具有精细碳骨架结构的素坯。

1.无团聚、窄粒径分布的碳粉泥浆的制备

以石化工业的副产品—石油焦(冶金焦、沥青焦、石墨、工业碳黑或者高纯的低灰分煤等)为原料，经1000～1200℃隔氧焙烧(焙烧温度和保温时间依原料中挥发分排除的难易而异，一般焙烧保温时间为1～4小时，含较少挥发分的碳质原料可不经焙烧)，以排除焦和煤中的挥发分。

将焙烧焦粗碎至1～2mm，称量后，加入少量的水分散剂、粘结剂、塑化剂和消泡剂，经球磨得到含不同粒径的碳粉泥浆。将泥浆稀释后经水力旋流器分级，得到d₉₀＝45μm，d₁₀＝5μm的泥浆。原料粉碎也可以采用干法粉碎——分级，得到同样粒径分布的粉末，再加水和添加剂，经高速搅拌混合后，得到均匀分散的泥浆。

由于各厂家碳质原料表面性能的差异，水的用量和分散剂的种类及用量，要根据粉体的实际情况加以选择和调整。2.成型

将上述泥浆或泥料采用注浆或其它湿法成型方法，如凝胶注，直接凝固成型方法制成生(素)坯。也可用挤塑、轧膜、印模、拉坯等可塑成型方法制成生坯。3.烧结

将生(素)坯自然阴干和110℃烘干后，置于电阻炉或感应炉中的石墨坩埚内，按碳∶硅＝1∶2.5的比例加入粒径为5～15mm的硅粒，将生(素)坯掩埋，在真空下以150～200℃/h的速率升温至1550～1650℃，保温1～2h止火。烧成后的制品经喷砂除去表面的粘附物，得到RBSC陶瓷产品。

生坯的烧结也可以在氩气的保护下，于1850～2050℃常压下进行。4.RBSC制品性能的调整

为了得到导热性好，摩擦系数低的材料，可加入粗粒径的石墨，并使素坯的碳含量略高于理论值(0.96g/cm³)，使材料中保留部分f_c。为了获得抗氧化性和机械性能好的RBSC制品，可使素坯的碳含量为理论值的87～96％。一般碳粉的粒径越小，素坯的碳含量低于理论值越多。

素坯的碳骨架结构—单位体积的碳含量、碳的粒径及粒径分布和孔径分布，可以用添加烧蚀剂和填充剂的方法调整，前者如木粉、塑料粉、核桃壳粉、淀粉、石英粉及白碳黑粉；后者可采用一定粒度金属硅粉。

本发明制备的RBSC产品的性能，超过了国内外硅化石墨产品，达到或超过了传统的RBSC材料的性能水平的性能。

表1列出了本发明制备的RBSC与国内外相应产品的主要性能