[发明专利]以中间相炭微球为炭源的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法，特别涉及一种以中间相 炭微球为炭源的反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗冲刷、耐磨、重量轻及良好 的热传导性能等优点。这种材料自20世纪60年代作为核燃料包壳材料以来， 用途日趋广泛。可作为耐磨构件、热交换器、防弹装甲板、大规模集成电路底 板及火箭发动机燃烧室喉衬和内衬材料等。反应烧结法制备碳化硅与其他方法 相比，具有原料成本相对较低，且可一次性致密的特点。其基本原理是：具有 反应活性的液硅，在毛细管力的作用下渗入含碳的多孔陶瓷素坯，并与其中的 碳反应生成碳化硅，新生成的碳化硅原位结合素坯中原有的碳化硅颗粒，浸渗 剂填充素坯中的剩余气孔，完成致密化的过程。根据目前的文献报道，多孔陶 瓷素坯中的碳多为煤烟、半焦、碳黑、树脂等，且需额外添加有机粘结剂成型。 采用这类碳制备的反应烧结碳化硅一般含有5～30vol％的游离硅，从而限制了 其在高温及腐蚀性环境下的应用。

为此，要想提高它的高温性能和耐腐蚀性，必须消除游离硅。目前采用高 熔点硅合金取代游离硅成为有效方法之一。Lim等人用一般的方法得到反应烧 结碳化硅材料，然后在高温下使硅蒸发掉，将熔融MoSi₂二次浸渍多孔SiC，得 到的材料性能优异。具体参见C.B.Lim，T.Yano，T.Iski.Microstructure and mechanical properties of RB-SiC/MoSi₂composites.J.Mater.Sci.24(1989)： 4144-4151。但这种方法无法使材料内部的残留硅完全排除掉，同时两相热膨 胀系数不一易产生热应力而导致材料内部缺陷。

发明内容

针对上述现有材料中存在的缺陷或不足，本发明提供一种以中间相炭微球 为炭源的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，该方法首次采用中间相炭微球为炭 源，反应烧结法制备碳化硅陶瓷。具体的技术方案如下：

(1)备料：选用中间相炭微球及碳化硅颗粒为原材料，其中碳化硅占原料 质量百分数为10～40％。采用无水乙醇作为介质，玛瑙球为混料球机械湿混 12～48h。在空气中经10～24h烘干。最后将混合料过200目筛。

(2)成型：在室温下将混合料模压或等静压成型，成型压力50～100MPa。

(3)预烧结：在石墨坩埚内平铺一定量的硅颗粒，且硅颗粒与中间相炭微 球质量比为3∶1～4∶1。将成型后的生坯平放于硅颗粒上，然后置于热处理炉内， 向炉内通氮气，同时以300～400℃/h的升温速度加热，在1200～1350℃恒温 0.5～1h。

(4)熔融硅浸渍反应：继续以100～300℃/h的升温速度加热，当温度高于 1350℃时开始抽真空，1500～1700℃保温0.5～1h完成熔融硅浸渍、硅/炭反应。 保温过程中关闭真空泵。

(5)降温：选择自然降温，降温开始后抽真空15min以排除炉内硅蒸气。 最后向炉内通入氮气保护。

中间相炭微球是液相炭化沥青中分离出的、具有堆砌层片结构的球体。由 于本身含有一定的粘性组分，使其具有自烧结、均匀收缩、残碳值高等优点。 另一方面，SiC颗粒能够在较低温度下促进碳制品的石墨化，从而使碳球中的 层片结构部分开裂。因此，熔融硅在浸渍素坯过程中，不仅可以浸渍炭微球之 间孔道，还可以进入炭球内部，从而使反应更充分。与此同时，SiC颗粒在烧 结过程中还会抑制中间相炭微球的收缩，根据SiC掺量可以调整素坯的孔隙率 (见表1)。这样得到的碳化硅陶瓷密度、各相含量都会不同，最终材料性能 也会不同。

表11300℃烧结后素坯孔隙率及密度

本发明得到的反应烧结碳化硅陶瓷密度相对较低(～2.7g/cm³)，但强度高 (≥300MPa)，残硅量小(＜10vol％)，适合作为高温及腐蚀性气氛下的结构 材料使用。与此同时，碳化硅基体中未反应的层片状碳有利于将该材料作为摩 擦磨损材料使用。

附图说明

图1为掺SiC后MCMBs进行1300℃烧结SEM抛光照片。

图2为掺20wt.％SiC后渗硅制备的反应烧结碳化硅抛光金相及SEM照片。

具体实施方式