[发明专利]一种高强韧碳化硅陶瓷的低温制造方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能碳化硅陶瓷制备技术领域，特别涉及一种高强韧碳化硅陶瓷的制造方法及其应用。

背景技术

高强韧碳化硅陶瓷最大的特点是具有优异的综合机械和物理化学性能，如硬度及强度高，韧性好，热震稳定性好，耐磨损，耐腐蚀和抗高温性能好等一系列优点。因此，可用做陶瓷轴承及发动机、加热器、炉衬、坩埚等。

高致密度碳化硅陶瓷的制备一般需要加入适量的氧化铝和氧化钇(Al∶Y＝3∶5)添加剂。一方面，这些添加剂离子固溶在主晶相中，依靠晶格畸变，促进晶内和晶间气孔的排出；另一方面，依靠添加剂在烧结过程中产生的液相来降低烧结温度或者通过某些添加剂的引入来抑制晶粒的过分长大，缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于致密化，得到高强韧的碳化硅陶瓷。然而，传统的添加剂引入方式一般直接加入配好的添加剂湿混球磨，这种方法容易产生添加剂不能按比例分散的现象，使得添加剂不能在规定的温度区间里发生反应出现需要的粘结相。最后，工业上制备全致密的碳化硅陶瓷常常采用无压或加压烧结，由于碳化硅的熔点高(超过2500℃)，所使用的烧结温度通常较高(超过2000℃)，且高温保温时间较长(超过30min)，导致晶粒剧烈长大，并阻碍气孔的排除。晶粒的急剧长大和气孔的存在导致碳化硅陶瓷的综合力学性能(如硬度、强度及断裂韧性)大幅下降，同时也降低了碳化硅的热稳定性等一些其它的性能。

发明内容

首先，为了克服直接混合碳化硅烧结助剂的方法带来的不足，本发明首次采用化学异质形核沉淀的方法混合添加剂，使添加剂中的Al离子和Y离子能按照配比均匀的混合在一起，并相互包覆，形成具有“壳-核”复合结构的纳米粉体。其次，为了克服纳米晶粒在较高的烧结温度下长大的问题，本发明采用SPS分段加压的方式进行低温(1600℃)烧结，得到了全致密的碳化硅纳米陶瓷。

本发明提供一种高强韧碳化硅陶瓷的低温烧结制造方法，其特征在于该方法步骤如下：

(一)首先制备具有“壳-核”复合结构的纳米粉体，步骤如下：

(1)将含铝离子的碱(Al(OH)₃)与钇离子的盐(Y(NO₃)₃)按一定摩尔比例(Al∶Y＝3∶5)和添加剂溶于乙醇中，并加入分散剂，超声振荡至分散均匀，实现Al³⁺和Y³⁺等离子充分地分散并且使添加剂离子均匀地分散在悬浮液中；

(2)然后在不断搅拌的条件下，向分散均匀的悬浊液中以(1～5)ml/min的速率滴加弱碱性溶液，以形成添加剂离子的沉淀，此时必须严格地控制滴加速率，以保证沉淀物以氧化铝颗粒为形核中心，以异质形核沉淀而不是均匀沉淀的方式进行，当pH值为8～9时停止滴加弱碱性溶液，继续搅拌，优选搅拌1～3h，以使得沉淀反应均匀充分；

(3)再将得到的悬浊液经过滤、醇洗、烘干，得到Al₂O₃和Y₂O₃的纳米混合粉体，然后把该混合粉末与亚微米级的碳化硅粉末按比例在无水乙醇中进行一定时间的球磨，最后，把球磨后的混合粉末取出烘干，得到所需混合粉体；

(二)将所得混合粉体装入模具进行放电等离子烧结(SPS)烧结，步骤如下：

把所得混合粉体装入直径为20mm的石墨模具中，然后放入SPS炉中进行分段加压烧结：首先，在30MPa的压力下，随炉升温到600℃，然后，以100℃/min的升温速度升温到1500℃，此时，升高压力到60MPa，并在1min内升温到1600℃；最后在该温度保温10分钟后停止加热并随炉冷却；

(三)烧结的陶瓷片经双面抛光处理，得到高强韧的碳化硅陶瓷。

同时，本发明给出了优选的氧化物粉体和添加剂的比例关系，步骤(一)第(1)步中，添加剂的用量以其所含金属元素的氧化物计，占氧化铝粉体和添加剂所含金属元素的氧化物总重量的0.01～0.10％。

所述含铝离子的碱(Al(OH)₃)与钇离子的盐(Y(NO₃)₃)的粉体优选高纯超细活性的粉体，平均粒径为亚微米级，纯度≥99.9％。

所述添加剂为含铈、镧、钍或锆元素离子的磷酸盐、硝酸盐和硅酸盐中的一种或几种的组合。

所述的弱碱性溶液优选有机胺类、尿素、氨水、乙醇钠、乙酸钠中的至少一种物质配制的溶液。弱碱性溶液的浓度对结构影响不大，可采用各种浓度的弱碱性溶液。