[发明专利]一种碳化物基陶瓷材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳化物基陶瓷材料及其制备方法和应用，以质量份数计，原料包括：碳化硅粉、硅粉、Ti‑Si‑Fe合金粉、生物炭、粘结剂；制备方法，包括将原料混匀后置于球磨机中，加入球磨球进行球磨；所得球磨料置于喷雾造粒机中，通过控制喷雾造粒工艺参数制得造粒粉料，造粒粉料置于模具中压制成型；成型后的试样固化12‑24h后，在氮气气氛，800‑1000℃条件下保温1‑3h，然后升温至1300‑1450℃高温烧结2‑5h冷却至室温得碳化物基陶瓷材料。本发明制备的碳化物基陶瓷材料具有极好的硬度、密度及强度，可满足工业化生产的需求。

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种碳化物基陶瓷材料、制备方法及其应用。

背景技术

碳化硅陶瓷，别名金刚砂，属于一种新型无机非金属材料，其不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)也是已知陶瓷材料中最佳的。碳化硅陶瓷是陶瓷材料中高温强度最好的材料，高温强度可一直维持到1600℃。此外，碳化硅陶瓷在高温环境下，表面可以生成一层致密的二氧化硅膜，从而使其抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。

碳化硅陶瓷作为少数几种适合用作高温结构零部件的候选材料之一，在高温、热冲击、腐蚀性等恶劣环境中显示出其独有的优越性。但由于碳元素与硅元素之间以共价键存在，非常稳定，因此其晶界能极高，在烧结过程时，需要获取大量的能量，才能形成晶界，构成碳化硅，由此影响了碳化硅的烧结效率。此外，烧结中，碳化硅易被氧化形成一层致密的氧化膜，该氧化膜抑制了碳化硅的扩散，降低了碳化硅的成型速度以及致密性，从而影响了碳化硅的烧结性能，使制得的碳化硅陶瓷密度较低，气孔率较高，无法满足工业化生产的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳化物基陶瓷材料、制备方法及其应用，以提高碳化硅的烧结效率，改善碳化硅的烧结性能，提高碳化硅陶瓷材料的成型速度和致密性。

本发明的技术方案之一，一种碳化物基陶瓷材料，以质量份数计，原料包括以下组分：碳化硅粉50-80份、硅粉10-18份、Ti-Si-Fe合金粉3-5份、生物炭15-20份、粘结剂8-10份。

优选的，所述碳化硅粉粒径为15-20μm，硅粉0.5-2μm，Ti-Si-Fe合金粉0.2-0.8μm。

粒径为15-20μm的碳化硅颗粒，有助于在烧结时形成均匀且细密的小孔，从而有助于提高陶瓷的机械强度，而且可以增加陶瓷结构的致密性，从而提高产品的抗氧化能力。

优选的，所述粘结剂为氧化铝和二氧化硅按照1∶(3-5)的质量比混合而成，氧化铝、二氧化硅粒径1-3μm。

在烧结过程中氧化铝和二氧化硅会连接在碳化硅的颗粒中间，包裹碳化硅颗粒从而起到加强粘结的作用，有助于提高陶瓷的耐磨能力和抗弯能力。

优选的，所述生物炭为粒径为8-15微米的碳化稻壳粉。

将稻壳加热到着火点温度以下可制得碳化稻壳，其主要成分是碳和二氧化硅，而且活性很高，以碳化稻壳为原料可制备出碳化硅晶须，用于加固和硬化碳化硅陶瓷材料，效果十分显著。

本发明的技术方案之二，上述的碳化物基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅粉、硅粉、Ti-Si-Fe合金粉、生物炭、粘结剂混匀后置于球磨机中，加入球磨球进行球磨；

(2)步骤(1)所得球磨料置于喷雾造粒机中，通过控制喷雾造粒工艺参数制得造粒粉料，造粒粉料置于模具中在120-180MPa的压力下压制成型；

(3)步骤(2)成型后的试样在300-500℃条件下固化12-24h后，在氮气气氛，800-1000℃条件下保温1-3h，然后升温至1300-1450℃高温烧结2-5h，冷却至室温得碳化物基陶瓷材料。