專利名稱：酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅陶瓷成形方法。
背景技術(shù)：
陶瓷成形工藝技術(shù)是制備各種陶瓷產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其成形方法主要包括干法成形和濕法成形兩大類。
干法成形包括模壓成形和等靜壓成形兩種。其中模壓技術(shù)早已采用，但模壓成形產(chǎn)品的形狀受到較大限制；而等靜壓成形技術(shù)成形的產(chǎn)品毛坯尺寸和形狀精度難以保證，經(jīng)常需采用后加工的方法來達到所需的尺寸和精度要求，因此存在成本高，生產(chǎn)效率低的問題。
濕法成形包括塑性成形和澆注成形兩類。塑性成形有利于實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，成形效率較高，但對原料的流變特性要求高，同時不同原料獲得可塑性的方法也不完全一樣；澆注成形技術(shù)適用于成形形狀復(fù)雜或形狀不規(guī)則的制品，但成形所需時間長，占用工作場地大，效率較低，同時對陶瓷原料粉末有較高的要求，獲得高固相含量的穩(wěn)定料漿是關(guān)鍵。擠壓成形是塑性成形的一種，能夠連續(xù)、高效率的成形管狀、棒狀、板狀和多孔柱狀坯體，特別適用于等截面、大長徑比陶瓷產(chǎn)品的成形。擠壓成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于氧化物陶瓷成形，一般以有機粘結(jié)劑和水作塑性載體，經(jīng)常加入粘土以提高物料相容性。
碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，是重要的工程陶瓷材料之一。碳化硅陶瓷產(chǎn)品目前常用的成形方法為模壓成形和等靜壓成形，以及注漿成形和近年來發(fā)展的膠態(tài)注模成形等，其中注漿成形是生產(chǎn)碳化硅結(jié)構(gòu)件所經(jīng)常采用的主要方法。碳化硅模壓成形時在碳化硅原料和燒結(jié)添加劑以加入樹脂作為結(jié)合劑(95100396.8)，或粘土作為結(jié)合劑(94110569.5)，或者粘土+水玻璃作為結(jié)合劑(94110570.9)，或工業(yè)漿糊和黃糊精作為結(jié)合劑，原料與結(jié)合劑混合均勻，然后模壓成形或冷等靜壓成形。碳化硅發(fā)熱元件(硅碳棒)的擠壓成形采用瀝青為結(jié)合劑，也有采用碳化硅為主要原料，以聚乙烯醇作為結(jié)合劑(95100358.5)，或聚乙烯醇+糊精作為結(jié)合劑(95100397.6)在常溫下混料，經(jīng)真空擠壓成形的工藝。
目前現(xiàn)有的幾種碳化硅陶瓷成形技術(shù)存在著明顯不足，如模壓成形不適用于大長徑比產(chǎn)品的成形，產(chǎn)品形狀受到限制，如果加入粘土等作為粘結(jié)劑則使得燒成制品高溫性能下降；冷等靜壓成型設(shè)備造價高，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品的尺寸和形狀也受到限制。
注漿成形的前提條件是獲得理想的高固相含量的懸浮液，對原料顆粒度、顆粒形狀和原料顆粒表面特性有特殊的要求，而對于原料中添加成分與主原料物性差異較大的混合原料(如反應(yīng)燒結(jié)碳化硅原料中的碳化硅和碳)難以獲得穩(wěn)定的懸浮液，同時對于要求使用大顆粒碳化硅原料的產(chǎn)品這種成型技術(shù)也難以采用。
常用的采用瀝青作為結(jié)合劑的碳化硅擠壓技術(shù)，成型過程需采用蒸汽加熱，設(shè)備復(fù)雜、成本高；瀝青在加熱過程中易變形、結(jié)焦溫度高，因此擠壓成形后的坯體需要放置在填充碳粒的耐火材料筒中在還原性條件下900～1000℃進行素?zé)?，同時瀝青碳化過程揮發(fā)量大，生坯密度達不到要求，經(jīng)常需要二次浸漬瀝青，造成工序復(fù)雜、能源消耗大、成本高，此外使用瀝青對環(huán)境和操作人員的身體健康都危害極大。
使用聚乙烯醇和聚乙烯醇+糊精作為結(jié)合劑的冷擠壓成型技術(shù)需采用真空擠壓設(shè)備，設(shè)備造價高，操作相對復(fù)雜。同時擠壓成形后，需要在300～350℃烘干處理，處理后在蒸汽加熱的瀝青中進行浸漬。存在工序復(fù)雜、能源消耗大，危害環(huán)境和人體健康的問題。
目前尚未見酚醛樹脂作為結(jié)合劑，常溫擠壓成形生產(chǎn)碳化硅陶瓷的方法的文獻或?qū)＠麍蟮馈?br>
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明的目的在于建立一種對原料顆粒度和顆粒分布要求寬，顆粒形狀要求低、適于多組份配方、工序簡單、能源消耗低、生產(chǎn)效率高、對環(huán)境和人體健康危害小的酚醛樹脂作為結(jié)合劑，常溫擠壓成形生產(chǎn)碳化硅陶瓷的新方法。
本發(fā)明方法應(yīng)保證成形坯體強度高，進一步高溫?zé)Y(jié)時不變形；成形料具有可控流變特性，在小的擠壓力下能夠擠出成形，并在擠出后能夠抵抗自身重力不變形；避免成形坯體表面開裂、起泡、變形或粉化等缺陷。
本發(fā)明酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于包括以下步驟步驟1將質(zhì)量分數(shù)為0.30～0.95的碳化硅粉料、0.05～0.50的石油焦粉、0～0.20的石墨粉、0～0.10的活性炭粉，在攪拌機上混合0.2～1小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)0.05～0.25的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓0.5～1.5小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置或50～80℃溫度下干燥處理；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過8～120目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量分數(shù)0.01～0.20的水溶性酚醛樹脂，混碾10～45分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6～24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至150～200℃，保溫1～3小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品長度要求；步驟11將切割后的毛坯在真空氣氛爐中1450～2300℃進行高溫?zé)Y(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品或重結(jié)晶碳化硅產(chǎn)品。


圖1擠壓物料表觀粘度與剪切速率關(guān)系。
圖1所示的是用毛細管流變儀測定得到的實施例物料表觀粘度ηa與剪切速率γ&的關(guān)系曲線，其流變指數(shù)n＝0.35(小于1)，表觀粘度隨剪切速率增大減小，有剪切變稀的特征，擠壓時物料容易流動，從而在較小的壓力下實現(xiàn)擠出成型；一旦剪切停止，則物料呈現(xiàn)高的表觀粘度，已擠出的物料內(nèi)部均勻組分在粘性阻力的作用下不易變形，保持了擠出物在后續(xù)移放、烘干等過程中的幾何尺寸精度。
具體實施例方式
實施例1步驟1將粒度號為60目，質(zhì)量分數(shù)為0.70的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.20的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的石墨粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)為0.12的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；
步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量分數(shù)為0.10的水溶性酚醛樹脂，混碾15分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到一定長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥24小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅坯體，坯體密度1.85g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品長度要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度2.9g/cm3，彎曲強度120MPa。
實施例2步驟1將粒度號為W14，質(zhì)量分數(shù)為0.80的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.15的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)為0.20的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過100目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量百分數(shù)為0.10的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置12小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥36小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體，生坯密度2.1g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度3.1g/cm3，彎曲強度250MPa。
實施例3步驟1將粒度號為120目，質(zhì)量分數(shù)為0.60和粒度號為180目，質(zhì)量分數(shù)為0.25的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.10的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)0.10的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過40目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量百分數(shù)為0.08的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需的長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥48小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體，生坯密度2.0g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度3.1g/cm3，彎曲強度150MPa。
采用本發(fā)明方法的有益效果(1)能夠擠壓出外徑≤150mm、任意長度的細長圓形或相應(yīng)尺寸的異性截面空心管(壁厚1≥mm)、或棒狀碳化硅產(chǎn)品坯體，目前其它成形方法難以實現(xiàn)；(2)對碳化硅原材料適應(yīng)范圍大，對碳化硅原料的顆粒度、顆粒形狀要求范圍寬，加入碳化硅的最大顆粒尺寸可達30目，碳化硅含量變化范圍大。有利于對產(chǎn)品力學(xué)性能與物理性能的調(diào)整與控制；(3)可連續(xù)成形出具有不同截面的長管、長棒，生產(chǎn)效率高，成本低，優(yōu)于等靜壓成形、注漿成形和膠態(tài)注模成形等方法；(4)成形的碳化硅產(chǎn)品坯體密度高，固化溫度低，干燥后生坯變形小，變形量小于0.5％，直線度達到1％以內(nèi)，強度高，固化后可加工。無需高溫素?zé)?，也無需浸漬瀝青等物質(zhì)，節(jié)約能源，對環(huán)境和人體健康危害小。
權(quán)利要求
1.酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于包括以下步驟步驟1將質(zhì)量分數(shù)為0.30～0.95的碳化硅粉料、0.05～0.50的石油焦粉、0～0.20的石墨粉、0～0.10的活性炭粉，根據(jù)產(chǎn)品性能要求加入的其它固體粉末原料若干，在攪拌機上混合0.2～1小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)0.05～0.25的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓0.5～1.5小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置或50～80℃溫度下干燥處理；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過8～120目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入0.01～0.20水溶性酚醛樹脂，混碾10～45分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6～24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機或活塞擠壓機上連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥24小時以上；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至150～200℃，保溫1～3小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品長度要求；步驟11將切割后的毛坯在真空氣氛爐中1450～2300℃進行高溫?zé)Y(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品或重結(jié)晶碳化硅產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于還可以為下步驟步驟1將粒度號為60目，質(zhì)量分數(shù)為0.70的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.20的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的石墨粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)為0.12的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過8目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量分數(shù)為0.10的水溶性酚醛樹脂，混碾15分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置6小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到一定長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥24小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅坯體，坯體密度1.85g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品長度要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度2.9g/cm3，彎曲強度120MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于還可以為下步驟步驟1將粒度號為W14，質(zhì)量分數(shù)為0.80的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.15的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)為0.20的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過100目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量百分數(shù)為0.10的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置12小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥36小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體，生坯密度2.1g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度3.1g/cm3，彎曲強度250MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于還可以為下步驟步驟1將粒度號為120目，質(zhì)量分數(shù)為0.60和粒度號為180目，質(zhì)量分數(shù)為0.25的碳化硅粉料、質(zhì)量分數(shù)為0.10的石油焦粉、質(zhì)量分數(shù)為0.05的活性炭粉在攪拌機上混合0.5小時；步驟2在上述混合均勻的粉料中另外添加質(zhì)量分數(shù)0.10的醇溶性酚醛樹脂，在輪碾機上碾壓1小時；步驟3將碾壓料破碎成塊狀，常溫放置干燥；步驟4將干燥處理的原料碾壓破碎，過40目篩造粒，待用；步驟5將待用原料加入質(zhì)量百分數(shù)為0.08的水溶性酚醛樹脂，混碾30分鐘；步驟6將混碾好的原料密封，放置24小時；步驟7原料在螺旋擠壓機連續(xù)擠壓出成形坯體，切割得到所需的長度；步驟8坯體在室溫靜置干燥48小時；步驟9成形坯體放入烘窯中加熱至180℃，保溫2小時，隨爐冷卻至室溫出窯，得到具有足夠強度的碳化硅成形坯體，生坯密度2.0g/cm3；步驟10坯體進行切割等后加工工序，達到產(chǎn)品要求；步驟11將切割后的毛坯在1650℃反應(yīng)燒結(jié)，得到反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品，表觀密度3.1g/cm3，彎曲強度150MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及酚醛樹脂作為結(jié)合劑的碳化硅陶瓷常溫擠壓成形方法，其特征在于包括11個工藝步驟；碳化硅粉料、石油焦粉、石墨粉、活性炭粉質(zhì)量分數(shù)分別為0.30～0.90、0.05～0.50、0～0.20、0～0.10；，添加醇溶性、水溶性酚醛樹脂的質(zhì)量分數(shù)為0.05～0.25、0.01～0.20，常溫擠壓成形，經(jīng)烘干處理，得到具有一定強度的碳化硅冷端部成型坯體。用本發(fā)明方法制出的碳化硅坯體密度高，固化溫度低，變形小、強度高，固化后可加工，節(jié)約能源，公害小，綜合成品率達到90％以上。
文檔編號C04B35/632GK1569741SQ20041002608
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者金志浩, 高積強, 喬冠軍, 王紅潔, 楊建鋒 申請人:西安交通大學(xué)