[发明专利]一种碳化硅陶瓷及其热等静压烧结工艺

说明书

本发明提供了一种碳化硅陶瓷，该碳化硅陶瓷的原料包括以下重量份数组分：碳化硅：45～96.8份；硼化钙：1～15份；碳化铝功能梯度材料：1～15份；金属单质：1～20份；碳化硼：0.1～3份；碳：0.1～2份。硼化钙可以提高材料的致密性，且也是一种很好的增强补韧材料，碳化铝功能梯度材料是一种优异的碳化硅陶瓷的增强补韧材料，而金属单质不仅自身具有良好的延展性，还可以与组织中的残留碳源反应生成相应的硬质碳化物相，起到增韧补强作用，碳化硼和碳作为碳化硅陶瓷的烧结助剂，有利于促进烧结致密化。

技术领域

本发明属于陶瓷技术领域，涉及一种碳化硅陶瓷及其热等静压烧结工艺。

背景技术

碳化硅具有密度小、硬度高、弹性模量优、耐腐蚀及耐热冲击等一系列优异的性能，使其广泛应用于机械密封件、耐磨材料、航天航空及装甲防弹等众多领域。碳化硅的共价键比例高达88％，因此，在常规条件下很难烧结致密。碳化硅陶瓷材料常用的烧结技术主要有无压烧结(常压烧结)工艺和热压烧结工艺。无压烧结工艺分为固相烧结和液相烧结，无压固相烧结有很明显的缺陷：如制品需要很高的烧结温度、晶粒容易长大、性能较低等。无压液相烧结工艺需要添加在较低温度下形成低共熔点组分的物质 (如氧化铝和氧化钇等)，而添加的氧化物会与碳化硅材料发生反应，生成挥发性的气体，不仅增加了失重比例，还不利于材料的致密化。而热等静压烧结技术(HIP)是一种在加热过程中，以惰性气体氮气或氩气作为压力传递介质，使材料(粉末状、素坯或者烧结体)经受各向均衡压力，在高温高压的协同作用下烧结致密的工艺。该技术可在较低的温度和较短保温时间内制备出各向同性、微观结构均匀、细小且致密度高的产品。一般按照工艺过程分为两种：(1)由粉料经过成型工艺制作成素坯或者经过烧结工艺的烧结体，再经HIP工艺处理；(2)包套HIP，即陶瓷粉末利用包套包封后直接进行HIP工艺。

发明内容

本发明提供了一种碳化硅陶瓷及其热等静压烧结工艺，通过碳化硅陶瓷各组分：碳化硅、硼化钙、碳化铝功能梯度材料、金属单质、碳化硼、碳的相互配合，使得碳化硅陶瓷具有金属和陶瓷的优异性能，提高碳化硅陶瓷的强度和韧性。

本发明一个方面提供了一种碳化硅陶瓷，制备该碳化硅陶瓷的原料包括以下重量份数组分：

碳化硅：45～96.8份；

硼化钙：1～15份；

碳化铝功能梯度材料：1～15份；

金属单质：1～20份；

碳化硼：0.1～3份；

碳：0.1～2份。

硼化钙可以提高材料的致密性，且也是一种很好的增强补韧材料，碳化铝功能梯度材料是一种优异的碳化硅陶瓷的增强补韧材料，而金属单质不仅自身具有良好的延展性，还可以与组织中的残留碳源反应生成相应的硬质碳化物相，起到增韧补强作用，碳化硼和碳作为碳化硅陶瓷的烧结助剂，有利于促进烧结致密化。

作为优选，碳化铝功能梯度材料由内至外依次为碳化铝、氮化铝和氧化铝。

作为优选，碳化铝功能梯度材料的制备方法包括以下步骤：

S1、将粒度为0.05～0.25mm的碳化铝细粉在氮气流中于 1000～1100℃温度下保温2～4h；

S2、将步骤S1获得的产物于650～750℃温度下保温3～5h，获得由内至外依次为碳化铝、氮化铝和氧化铝的碳化铝功能梯度材料。

碳化铝在1000～1100℃温度的氮气流中发生以下反应：

Al₄C₃+2N₂→4AlN+3C，