[发明专利]陶瓷部件

说明书

本发明涉及一种含有碳化硅的陶瓷部件和所述部件的用途。用于制造所述陶瓷部件的方法包括如下步骤：a)提供基于SiC的生坯，所述生坯通过3D打印方法来制造；b)用溶液或树脂体系浸渍所述生坯，所述溶液选自糖溶液、淀粉溶液或纤维素溶液，所述树脂体系包含含有至少一种树脂、至少一种溶剂和至少一种固化剂的混合物，所述至少一种树脂和所述至少一种溶剂是不同的；c)将浸渍的生坯干燥或固化；d)将干燥或固化的生坯碳化，其中由干燥的溶液产生细孔泡沫状碳骨架，或者由固化的树脂体系产生细孔海绵状碳骨架；e)通过用液体硅进行渗透将碳化的生坯硅化。所述陶瓷部件含有70重量％至95重量％的SiC、2重量％至27重量％的游离硅和小于3重量％的游离碳。

本发明涉及一种含有碳化硅的陶瓷部件以及所述部件的用途。

碳化硅陶瓷的特征通常在于其高硬度、良好的耐磨性、高化学稳定性、即使在高温下也具有的高强度以及热膨胀低且导热率高的良好耐温性。制造这种陶瓷的一种方式是：提供碳化硅(SiC)、碳或作为碳源的树脂和合适赋形剂的浆料，将该浆料形成生坯，干燥该生坯，并用液体硅将干燥的生坯硅化。为了确保用液体硅使所用的碳化硅充分润湿，碳或碳源是必需的。碳或碳源此时与硅反应，并且形成了碳化硅。通常，通过这种方法得到了复合材料，并且该复合材料除了含有SiC之外还含有游离硅和非常少量的未反应的碳或所谓的游离碳。通常将这种复合材料称为Si/SiC复合材料。在该背景下，术语“游离硅”和“游离碳”被理解为意指未化学键合而仅自身结合的其纯形式的元素。在这种复合材料中，碳化硅和游离碳是惰性成分，而游离硅是化学稳定性和热稳定性最低的成分并且不能承受例如源自氢氟酸或热碱液(如热NaOH或热KOH)的侵蚀，这与游离碳和碳化硅相反。因为游离硅是可熔化的，所以Si/SiC复合材料的使用温度也被限制在低于硅的熔点(即1414℃)的温度下。这种复合材料中的游离碳原则上确实可能会被氧化介质侵蚀，然而，由于液体硅化，所以碳被SiC套管包住，由此得到保护。

因为陶瓷的硬度高，所以不能通过简单的机械加工来制造具有复杂几何结构的由碳化硅陶瓷制成的部件。这种部件可以通过增材制造方法(如激光烧结)或3D打印(粘合剂喷射方法)来制造。

利用激光烧结方法，确实能够制造复杂的几何结构，然而与3D打印方法相比，激光烧结方法的速度非常慢。这种较慢的方法速度导致制造成本较高。另外，激光烧结方法比3D打印方法复杂。因为在激光烧结方法中，另外存在较高的热量输入，所以与3D打印方法相比，存在较不均匀的温度场，这可能导致由碳化硅陶瓷制成的部件发生翘曲。另外，激光烧结方法可能由于烧结而导致高的收缩。这使得必需有支撑结构，这种支撑结构由于后处理而使得该方法又更加复杂。在由粘合剂喷射方法所制造的生坯的情况下，几乎没有收缩，并且不需要支撑结构。激光烧结的另一个缺点是，当使用粉末形式的粘合剂-固体混合物制造生坯时，存在这些混合物将分离的重大危险。在粘合剂喷射的情况下不会发生这种分离的危险，从而实现所制造的生坯的更好的均匀性。

在DE 10 2013 017 193A1中，通过3D打印方法使用具有特定粒度的碳化硅和/或碳化硼以及粘合剂来制造陶瓷复合材料。然后，在进行硅化之前，将得到的基于碳化硅和/或碳化硼的成形体用炭黑悬浮液浸渍至少一次。浸渍溶液粘附到碳化硅和/或碳化硼粒子上，并且在这些粒子之间保留有大的空孔。为了减少复合材料中游离硅的含量，必需用炭黑分散体进行多次浸渍。然而，尽管进行了多次浸渍，但较大的空孔仍然保留在粒子之间，并且在随后的硅化之后被游离硅填充。由此制造的Si/SiC复合材料具有不均匀的微观结构组成，其包含相对较大的游离硅的色淀(lakes)或区域。

由于微观结构组成不均匀，特别是存在大的游离硅的色淀或区域，所以含有碳化硅的陶瓷复合材料的化学稳定性、特别是相对于酸或热碱液(例如氢氟酸或热NaOH碱液)的化学稳定性以及耐温性下降。

因此，本发明的目的是提供一种含有碳化硅的均质陶瓷部件，所述陶瓷部件除了具有高硬度、高强度和良好的耐磨性之外，还具有高化学稳定性和良好的耐温性。另外，该部件应适合于在几何复杂度几乎不受限制的的情况下快速、容易且经济地制造。