[发明专利]一种无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷的制备方法，属于结构陶瓷技术领域。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高热导率、高耐磨性、高温稳定性、耐腐蚀性等优异性能，广泛应用于机械、化工等领域。碳化硅具有低的中子吸收截面和良好的高温稳定性，是第四代核电系统中非常有前途的一种结构材料。碳化硅为共价键，烧结非常困难，通常需要添加少量烧结助剂以促进烧结致密化，常用的烧结助剂有B₄C+C、AlN+B₄C+C、AlN+RE₂O₃(RE＝Y、Nd、Lu等稀土元素)、Al₂O₃+RE₂O₃等。这些烧结助剂在高温烧结后残留在碳化硅陶瓷基体中，严重影响着碳化硅陶瓷的抗中子辐照性能和高温稳定性。例如，硼和稀土元素具有很大的中子吸收截面，严重影响碳化硅陶瓷的抗中子辐照性能；Al₂O₃、RE₂O₃等氧化物具有较低的熔点，严重影响碳化硅陶瓷的高温稳定性。

目前，在大多数的研究中，碳化硅陶瓷的烧结助剂中均含有硼或稀土元素，即使采用了低中子吸收截面的铝和氮元素作为烧结助剂，但是为了获得高致密度，通常还是添加了少含量的B₄C或RE₂O₃作为烧结助剂，单纯以氮化铝和碳为烧结助剂制备致密SiC陶瓷的研究甚少。只有文献1“Sintering of nano crystalline a silicon carbide doping with aluminum nitride，MS DATTA，AK BANDYOPADHYAY and B CHAUDHURI，Bull.Mater.Sci.,2002,25(2),121-125.”单纯采用氮化铝和碳作为碳化硅粉体的烧结助剂，在真空条件下2100℃保温15min，通过常压固相烧结获得了致密度近99％的碳化硅陶瓷，其中氮化铝以粉体的形式引入，碳以酚醛树脂的形式引入，所采用的碳化硅粉体的平均粒径为37nm。

但是，对于亚微米级碳化硅粉体的烧结，单纯采用氮化铝粉体和碳作为烧结助剂时，很难实现碳化硅陶瓷的致密化。因而，如何实现以亚微米级碳化硅粉体制备无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷，为本领域技术人员一个研究方向之一。

发明内容

本发明旨在克服以亚微米级碳化硅粉体制备无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷的技术难题，本发明提供了一种无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷的制备方法。

本发明提供了一种无硼或稀土元素的致密碳化硅陶瓷的制备方法，包括：

1)将铝源、碳源、碳化硅粉体和无水乙醇均匀混合后烘干、研磨过筛后得到混合粉体，并采用混合粉体压制得到陶瓷素坯；

2)将陶瓷素坯在真空、650℃～1050℃下加热裂解；

3)将热裂解后的陶瓷坯体在氮气气氛、1550℃～1750℃下进行碳热还原反应；

4)将碳热还原反应后的陶瓷素坯在惰性气氛、2050℃～2300℃下烧结得到致密碳化硅陶瓷。

本发明的反应机理：铝源、碳源(酚醛树脂或炭黑)、无水乙醇与碳化硅粉体均匀混合后，酚醛树脂均匀包覆在碳化硅粉体表面，铝溶胶为铝源其裂解后生成氧化铝，酚醛树脂裂解后残留碳，过量的碳可保证碳与氧化铝充分接触，氧化铝和碳在氮气气氛下发生碳热还原反应生成氮化铝和一氧化碳气体，碳与碳化硅粉体表面的二氧化硅层发生还原反应生成碳化硅和一氧化碳气体，多余的碳残留下来。在烧结过程中，氮化铝与新鲜的碳化硅粉体表面接触并发生固溶反应进入碳化硅晶格，从而降低晶界能而促进烧结致密化，而过量的碳聚集在三角晶界处起到抑制晶粒长大的作用。

较佳地，所述铝源为铝溶胶或氧化铝粉体。

较佳地，所述碳源为酚醛树脂或炭黑，所述陶瓷素坯中按重量百分比计算，氧化铝为0.6～10wt％，碳源为2.4～31.7wt％酚醛树脂或者0.7～9.5wt％炭黑。

较佳地，所述碳化硅粉体的粒径为亚微米级。

较佳地，加热裂解的工艺参数包括：以1℃/分钟～4℃/分钟的升温速率，升温到650℃～1050℃，保温时间为0.5小时～4小时，热裂解过程中的气氛为真空。

较佳地，碳热还原反应的工艺参数包括：以2℃/分钟～10℃/分钟的升温速率，升温到1550℃～1750℃，保温时间为3小时～10小时，碳热还原反应过程中的气氛为氮气。