[发明专利]一种低残硅尺寸和含量的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及反应烧结碳化硅复合陶瓷的制备，特别涉及一种低残硅尺寸和含量的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

反应烧结碳化硅复合陶瓷是一种先进的高温、耐腐蚀结构陶瓷。相对于传统的烧结方法，反应烧结法具有烧结时间短、烧结温度低、烧结致密、可制备复杂形状、低能耗以及近尺寸成型等优点，因此反应烧结法是一种具有很大应用潜力的烧结技术。反应烧结碳化硅通常被应用在轻质装甲、航空航天材料以及核反应堆容器等领域，传统的制备方法是将碳化硅(α-SiC)颗粒与碳粉混合均匀，在有机粘结剂的作用下压成素坯，然后将素坯置于硅颗粒上进行渗硅。在反应烧结过程中，液硅在毛细管力的作用下通过毛细管道渗入素坯中，碳粉硅化后生成的次生碳化硅(β-SiC)会连接原有碳化硅，液态硅填充孔洞形成残硅相，最终形成烧结致密体。反应烧结碳化硅的烧结过程决定了其组织由三种相组成，即：α-SiC、β-SiC和Si相。其中残硅相具有差的强度和韧性(强度小于100MPa，韧性低于1MPa·m^1/2)，如何降低残硅相尺寸和含量是反应烧结碳化硅主要面临的技术问题。传统的降低残硅相含量的方法主要是通过增加碳粉含量，但是随着碳粉含量的升高，碳粉硅化后生成次生碳化硅极易堵塞毛细管道，造成素坯烧结不透，因此找到一种有效的方法降低残硅相的尺寸和含量对于提高反应烧结碳化硅力学性能至关重要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种低残硅尺寸和含量的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，通过添加缓释碳源(短碳纤维)和碳化硼颗粒来制备高强度和高韧性的碳化硅复合陶瓷，其中碳化硼的加入有助于帮助素坯渗硅充分，所制备的产物具有残硅相尺寸和含量低、密度小、强度和韧性高等综合优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种低残硅尺寸和含量的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，包含以下步骤：

步骤一，纤维预处理，将短碳纤维置于无水酒精中超声振荡20min，以去除其表面有机胶，取出后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用；

步骤二，分级混料，将碳化硅粉末、处理后的短碳纤维、酚醛树脂、碳化硼粉末四种组分按照重量比68.2-33.2):(6.8-41.8):10:15称量后，先将碳化硅和碳化硼粉末放入塑料球磨罐中，用酒精将酚醛树脂溶解均匀，酚醛树脂和酒精体积比为1:50；将搅拌均匀的酚醛树脂酒精溶液倒入塑料球磨罐中，添加玛瑙球，其中球料质量比为2:1，在300r/min的转速下球混2小时，紧接着加入预先处理好的短碳纤维，在100r/min的转速下继续球混5小时。把浆料在回转蒸发器中干燥，得到混合粉末；

步骤三，双向加压压制成型，在180MPa的压强下将混合粉末压制成型，加压方式为双向加压；

步骤四，烘干、固化，将压制好的素坯放置在烘干箱中，在40℃下保温3小时，然后升温至90℃，再保温3个小时，最后以每分钟1℃的升温速度升至150℃保温10小时；

步骤五，反应烧结，在石墨坩埚底层加入石墨纸，然后均匀放置素坯和石墨纸质量总和2倍的硅颗粒，将固化好的素坯放置在硅颗粒上，将石墨坩埚放入真空碳管炉中开始抽真空，待炉体真空度降低到0.1Pa时开始加热，升温速度从室温到900℃时为5℃/min，900-1380℃升温速度为10℃/min，当炉温达到1380℃的时候停止抽真空，1380-1600℃升温速度为20℃/min,1600℃下保温20分钟；降温过程中，1600-1300℃时降温速度为5℃/min,到达1300℃时随炉冷却至室温；

所述的碳化硅粉末的粒径为10-15μm，所述碳化硼粉末的粒径小于2μm。

所述的硅颗粒粒径为2mm。

所述的短碳纤维长度低于4mm，直径小于7μm。

所述短碳纤维提供反应烧结主要碳源，由于短碳纤维的高碳密度硅化反应后体积膨胀率大，促使残硅含量降低。而且根据溶解沉淀机理，其反应完成后残硅形态呈现长条状分布，这有助于降低残硅相尺寸。质量分数为15％的碳化硼的加入是确保液硅能流畅地通过毛细管道。由于碳化硅与碳化硼晶格常数不一致，碳化硅不会在碳化硼颗粒上长大，碳化硼颗粒形成的毛细管道将不会堵塞。而且相比较于碳化硅，碳化硼具有更加优异的力学性能，细小碳化硅一方面是以颗粒增强机理来提高组织力学性能，另一方面是降低了组织平均晶粒尺寸。