[发明专利]高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及复合材料领域，尤其是高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷，经过原料成分合理配比，结合氮化烧结工艺，采用先预热至600‑800℃时，通入氮气方式，使原料混合物在非氮气氛围下受热，使得硅粉预热，再结合氮气通入，以及原料中氮化硅存在的环境下，实现对硅粉催化氮化，促使氮化硅形成，提高硅粉氮化率，促进硅粉形成的氮化硅与原料中的氮化硅在液相下结合，实现在碳化硅粉末间穿插，增强氮化硅与碳化硅结合的强度，提高陶瓷材料的致密性；且经氮气合理时间通入，避免了氮化硅在1600℃以上发生分解，增强了陶瓷材料强度和致密性，使得烧结制品的的密度＞2.65g/cm³，断面细腻，气孔不可见，提高了陶瓷材料的抗热震性能和延长了陶瓷制品的使用寿命。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其是一种高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

氮化硅复合碳化硅陶瓷材料，其具有密度高、常温及高温环境下强度大、热震稳定性好、荷重软化点高、导热系数高、电阻率高、抗氧化性能好、抗酸碱侵蚀性强等优点，在铝电解槽、冶金高炉、炼铜、炼锌、陶瓷管道制品等各个领域得到了广泛应用。

目前，氮化硅复合碳化硅陶瓷材料的原料采用单质硅和碳化硅，经氮化之后，获得或者直接采用氮化硅、碳化硅复合制得；但是，采用单质硅和碳化硅原料，在氮气气氛下氮化，制得制品时，制品的强度、致密性均与硅粉氮化率有着密切的关系，硅粉氮化率低，将会导致制品的抗热震性能、室温抗弯强度较差，气孔率高；采用氮化硅与碳化硅复合而成，又将会导致氮化硅、碳化硅复合均匀性极差，导致氮化硅在碳化硅之间的分布不理想，导致制得制品时，制品的抗热震性能、室温抗弯强度不理想，气孔率高，致使了制品使用寿命降低。

因此，现有技术中，大量的研究者开展了相关研究，以达到改善氮化硅复合碳化硅陶瓷材料的综合性能目的，例如：专利申请号为201710473178.1的浇注成型氮化硅结合碳化硅制品的配方及其制作方法，以碳化硅、金属硅粉、二氧化硅微粉、稀土氧化物、结合剂、固化剂，经配料、振动浇注成型、养护、烘干、烧制成型；烧制成型是在氮气氛围下，以30-40℃/h升温至1100℃，保温2-10h；再以30-40℃/h升温到1150℃，保温2-8h；以30-40℃/h升温到1250℃，保温2-12h；以30-40℃升温到1350-1450℃，保温2-15h，再在氮气氛围下，自然冷却至室温，制得，实现金属硅粉原位氮化生成氮化硅，实现复合不强，提高产品致密度和氮化硅收得率，增强材料的高温抗折强度和抗热震稳定性；但该工艺中的升温速率较低，导致升温、保温工艺流程较长，能耗较大，而且所得的制品中的单质硅、二氧化硅等成分未得到完全氮化，导致硅成分氮化率较低，使得制品的致密度较低，维持在2.5g/cm³以下，制品横断面易出现了可视化的气孔。再例如：专利申请号为201810578403.2的氮化硅结合碳化硅窑具材料以及制备方法，采用钝化硅粉和碳化硅粉、表面活性剂、烧结助剂、粘结剂、水等原料，将硅粉经弱氧化性溶液浸泡，再将原料各组分干混均匀，加水搅拌制备陶瓷浆料，注浆成型，干燥，氮化烧结，保温1-2h，烧结温度升高至1410-1550℃；烧结升温是以480-600℃/h升温速度升温至1000-1100℃，再以300-480℃/h升温至1210-1350℃，保温2-4h，以180-300℃/h升温至1410-1550，使得根据钝化硅粉和碳化硅的含量以及氮化硅生成机制，制定烧结制度，使氮化成分烧结完全，得到强度等性能优异的材料，获得的材料致密度为2.58-2.81g/cm³，显气孔率为4.8-6.1％，常温抗压强度600-810MPa；但是该工艺的升温速率较高，导致材料中的单质硅成分氮化效率偏低，氮化效果不理想，致使制品抗热震稳定性较差，采用急剧水冷处理后，其抗压强度大幅降低，极大程度阻碍了陶瓷材料的应用范围。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷及其制备方法和应用。

具体是通过以下技术方案得以实现的：