專利名稱：一種制備含碳陶瓷素坯的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷材料坯體的制備方法，特別是涉及含碳陶瓷素坯的制備方法。
背景技術：
目前，含碳陶瓷素坯的成型工藝主要有干壓法、注漿法以及擠出成型等。
干壓法是將碳源(炭黑、石墨、石油焦等)與陶瓷粉料混合后用機械壓制后成為具有一定形狀和強度的坯體。這種工藝需要大型壓制設備；并且壓制的粉料一般須經(jīng)過造粒過程獲得，工藝較復雜；一般干壓法所獲得的素坯強度較低，在壓制過程中，由于模具與粉料之間摩擦力的作用，將導致素坯各處密度較為不均勻；干壓法不適合制備復雜形狀樣品。
注漿法是將碳源與陶瓷粉體制成料漿，注入到多孔模具中，靠多孔模的毛細管力將水分排除，干燥后成為具有一定形狀和強度的坯體。注漿成型的工藝周期長，在制備復雜形狀樣品時尤為明顯，不適合連續(xù)化自動化生產(chǎn)；在排除水分的過程中，容易產(chǎn)生顆粒的定向排列，導致坯體結(jié)構不均勻；生坯強度較低，不能進行機械加工。
擠出成型是利用壓力將具有塑性的泥料通過模具擠出，獲得與模具橫截面形狀一致的坯體。這種成型方法不能夠制備形狀復雜的樣品；未經(jīng)干燥的生坯強度低；坯體收縮大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠在室溫條件下采用冷凝澆注制備含碳陶瓷素坯的方法。
本發(fā)明所提供的制備含碳陶瓷素坯的方法，包括如下步驟1)在碳源中加入鈦基偶聯(lián)劑混合，所述碳源為炭黑、石墨或石油焦；2)在陶瓷粉料中加入硅烷偶聯(lián)劑混合，所述陶瓷粉料為碳化硅或氧化鋁；3)將經(jīng)過步驟1)和步驟2)處理得到的碳源和陶瓷粉料加入到30-85℃液體懸浮介質(zhì)中，混合均勻后注入模具，凝固后經(jīng)脫模和干燥步驟得到含碳陶瓷素坯；所述懸浮介質(zhì)為莰烯、樟腦或萘中一種或兩種以上的混合物。
其中，步驟1)所述鈦基偶聯(lián)劑為所述碳源重量的0.5-3％；步驟2)所述硅烷偶聯(lián)劑為所述陶瓷粉料重量的0.3-3％；步驟3)所述碳源和所述陶瓷粉料的重量比為1∶4-1∶19。
在采用本發(fā)明方法制備含碳陶瓷素坯時，懸浮介質(zhì)一般需具有比室溫稍高的固化溫度、固化時的體積變化要小、液態(tài)粘度低等要求，通?？蛇x擇0-50％重量的樟腦與50-100％重量莰烯的混合物或為15％-80％重量的樟腦與20-85％重量的萘的混合物。
為了防止陶瓷素坯冷凝成型時產(chǎn)生較大的收縮，從而造成坯體缺陷，步驟3)所述懸浮介質(zhì)與所述碳源和陶瓷粉料的總體積之比為0.3∶0.7-1∶1，使成型料漿具有較高的固含量。
所述懸浮介質(zhì)中還通常加有分散劑，該分散劑能與陶瓷粉料或者炭黑粉料表面進行良好的錨固或者吸附，能增強碳源和陶瓷材料在懸浮介質(zhì)中的分散效果。所述分散劑可選擇超分散劑、陰離子型分散劑以及嵌段聚合型非離子型表面分散劑等中的一種或幾種，其用量為步驟3)所述碳源和陶瓷粉料總重量的0.2-4％。
陶瓷素坯在模具中的固化成型時，凝固溫度對素坯的結(jié)構影響很大，并決定成型及干燥時間的長短。如果溫度過高，其成型時間隨之增加；如果溫度過低，其成型時間少，可以進行快速成型，但可能帶來坯體內(nèi)外密度的不一致。因此，本發(fā)明步驟3)所述凝固溫度通?？蛇x在0℃-30℃。
為了加快成型陶瓷素坯體中懸浮介質(zhì)的揮發(fā)速度，縮短其干燥時間，步驟3)所述干燥一般可采用真空干燥。
本發(fā)明采用的懸浮介質(zhì)熔點低，略高于室溫，在室溫下有較高蒸汽壓，在較低的溫度(35-85℃)下能夠制備出高固相含量的陶瓷料漿(本發(fā)明中懸浮介質(zhì)的密度約為0.84g/cm3，碳源密度約為2.2g/cm3，碳化硅密度為3.21g/cm3，氧化鋁密度為3.98g/cm3，所制備料漿體積百分比高于50％)，在室溫下陶瓷素坯能以接近模具的尺寸固化成型，成型時間短，最短僅需1分鐘，可以提高陶瓷素坯澆注成型的效率；成型設備要求低，無需專門的冷凍設備，能大大減少設備投資；而且由于陶瓷料漿固含量高，在陶瓷素坯成型后干燥升華排除懸浮介質(zhì)時陶瓷素坯收縮小，能避免在陶瓷坯體中產(chǎn)生缺陷，制品結(jié)構均勻，有利于提高制品的性能。該懸浮介質(zhì)具有較低的液態(tài)粘度，在澆注時陶瓷料漿能充滿模具，能精確復制模具形狀，可以制備成型大尺寸、形狀復雜的樣品，并且易于排除料漿中以及在澆注過程中產(chǎn)生的氣泡。本發(fā)明方法簡單，設備要求低，生產(chǎn)過程成本低，并能制備出大尺寸、結(jié)構復雜的陶瓷素坯制品，具有廣泛的用途。
具體實施例方式
實施例1、制備炭黑/碳化硅陶瓷素坯稱取一定量的炭黑，放入高速分散機內(nèi)，加入炭黑質(zhì)量3％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散15分鐘，取出備用；稱取一定量的碳化硅，放入高速分散機內(nèi)，加入碳化硅質(zhì)量0.5％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散15分鐘，取出備用；按炭黑/碳化硅/莰烯質(zhì)量比為0.4/3.6/1的比例準確稱取經(jīng)過預處理的炭黑、經(jīng)過預處理的碳化硅和莰烯。將莰烯放入球磨罐內(nèi)，加入炭黑與碳化硅總重量1％的超分散劑CH-2C(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))以及炭黑與碳化硅重量0.5％陰離子型分散劑DP150(上海長風化工廠生產(chǎn))，加熱至60℃，加入稱量好的炭黑和碳化硅，球磨18小時后在室溫澆注入模具內(nèi)凝固，10分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥10小時，制得炭黑/碳化硅陶瓷素坯。該種素坯可用于制備反應燒結(jié)碳化硅陶瓷。
實施例2、制備炭黑/氧化鋁陶瓷素坯稱取一定量的炭黑，放入高速分散機內(nèi)，加入炭黑質(zhì)量3％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散30分鐘，取出備用；稱取一定量的氧化鋁，放入高速分散機內(nèi)，加入氧化鋁質(zhì)量2％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散30分鐘，取出備用；按炭黑/氧化鋁/莰烯質(zhì)量比為0.6/4.4/1的比例準確稱取經(jīng)過預處理的炭黑、經(jīng)過預處理的氧化鋁和莰烯，將莰烯放入球磨罐內(nèi)，加入炭黑與氧化鋁總重量1.5％的陰離子型分散劑DA168(上海長風化工廠生產(chǎn))以及炭黑與氧化鋁總重量2.5％的超分散劑CH-5(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))，加熱至50℃，加入稱量好的陶瓷粉料，球磨24小時后在室溫下澆注入模具內(nèi)凝固，5分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥30小時，可以制得炭黑氧化鋁陶瓷素坯。該種素坯可用于碳熱還原法制備氮化鋁陶瓷。
實施例3、制備石墨/碳化硅陶瓷素坯稱取一定量的石墨，放入高速分散機內(nèi)，加入石墨質(zhì)量0.5％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散15分鐘，取出備用；稱取一定量的碳化硅，放入高速分散機內(nèi)，加入碳化硅質(zhì)量3％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散30分鐘，取出備用；按石墨/碳化硅/莰烯質(zhì)量比為0.7/5.27/1的比例準確稱取經(jīng)過預處理的石墨、經(jīng)過預處理的碳化硅和莰烯。將莰烯放入球磨罐內(nèi)，加入石墨與碳化硅總重量0.5％的超分散劑CH-6(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))以及石墨與碳化硅重量1％嵌段聚合型非離子型表面分散劑D303(上海富智化工有限公司生產(chǎn))，加熱至55℃，加入稱量好的石墨和碳化硅，球磨20小時后在0℃下澆注入模具內(nèi)凝固，3分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥20小時制得石墨/碳化硅陶瓷素坯。該種素坯可用于制備反應燒結(jié)碳化硅陶瓷。
實施例4、制備石油焦/碳化硅陶瓷素坯稱取一定量的石油焦，放入高速分散機內(nèi)，加入石油焦質(zhì)量1.2％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散20分鐘，取出備用；稱取一定量的碳化硅，放入高速分散機內(nèi)，加入碳化硅質(zhì)量0.5％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散20分鐘，取出備用；按石油焦/碳化硅/樟腦/萘質(zhì)量比為0.6/2.4/0.48/0.52的比例準確稱取經(jīng)過預處理的石油焦、經(jīng)過預處理的碳化硅，以及樟腦和萘。將樟腦以及萘放入球磨罐內(nèi)，加入石油焦與碳化硅總重量0.5％的超分散劑CH-6(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))以及石油焦與碳化硅重量1％陰離子型分散劑KD-68(天津鑫德商貿(mào)有限公司提供)，加熱至50℃，加入稱量好的石油焦和碳化硅，球磨20小時后在室溫澆注入模具內(nèi)凝固，15分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥25小時，可以制得石油焦/碳化硅陶瓷素坯。該種素坯可用于制備反應燒結(jié)碳化硅陶瓷。
實施例5、制備炭黑/碳化硅陶瓷素坯稱取一定量的炭黑，放入高速分散機內(nèi)，加入炭黑質(zhì)量3％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散20分鐘，取出備用；稱取一定量的碳化硅，放入高速分散機內(nèi)，加入碳化硅質(zhì)量0.5％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散20分鐘，取出備用；按炭黑/碳化硅/莰烯/樟腦質(zhì)量比為0.18/3.42/0.9/0.1的比例準確稱取經(jīng)過預處理的炭黑、經(jīng)過預處理的碳化硅、莰烯以及樟腦。將莰烯與樟腦放入球磨罐內(nèi)，加入炭黑與碳化硅總重量1％的超分散劑CH-3(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))以及炭黑與碳化硅重量0.5％超分散劑CH-13E(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))，加熱至65℃，加入稱量好的炭黑和碳化硅，球磨20小時后在30℃澆注入模具內(nèi)凝固，25分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥20小時，可以制得炭黑/碳化硅陶瓷素坯。該種素坯可用于制備反應燒結(jié)碳化硅陶瓷。
實施例6、制備石墨/碳化硅陶瓷素坯稱取一定量的炭黑，放入高速分散機內(nèi)，加入石墨質(zhì)量1.5％的鈦基偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散15分鐘，取出備用；稱取一定量的碳化硅，放入高速分散機內(nèi)，加入碳化硅質(zhì)量0.3％的硅烷偶聯(lián)劑，經(jīng)高速分散機分散15分鐘，取出備用；按石墨/碳化硅/莰烯/樟腦質(zhì)量比為0.135/2.5/0.5/0.5的比例準確稱取經(jīng)過預處理的石墨、經(jīng)過預處理的碳化硅、莰烯以及樟腦。將莰烯與樟腦放入球磨罐內(nèi)，加入石墨與碳化硅總重量0.1％的超分散劑CH-3(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))以及石墨與碳化硅重量0.1％超分散劑CH-13E(上海三正高分子材料有限公司生產(chǎn))，加熱至65℃，加入稱量好的炭石墨和碳化硅，球磨20小時后在室溫澆注入模具內(nèi)凝固，20分鐘后脫模，放入真空容器內(nèi)干燥20小時，可以制得石墨/碳化硅陶瓷素坯。該種素坯可用于制備反應燒結(jié)碳化硅陶瓷。
實施例7、制備石墨/碳化硅陶瓷素坯制備方法同實施例1，其不同之處在于所用懸浮介質(zhì)為樟腦與萘的混合物，石墨/碳化硅/樟腦/萘質(zhì)量比為0.6/2.4/0.15/0.85，所加分散劑以及石墨、碳化硅的處理等均與實施例1相同。
實施例8、制備炭黑/氧化鋁陶瓷素坯制備方法同實施例1，其不同之處在于所用懸浮介質(zhì)為樟腦與萘的混合物，炭黑/氧化鋁/樟腦/萘質(zhì)量比為0.6/2.4/0.8/0.2，所加分散劑以及石墨、碳化硅的處理等均與實施例2相同。
權利要求
1.一種制備含碳陶瓷素坯的方法，包括如下步驟1)在碳源中加入鈦基偶聯(lián)劑混合，所述碳源為炭黑、石墨或石油焦；2)在陶瓷粉料中加入硅烷偶聯(lián)劑混合，所述陶瓷粉料為碳化硅或氧化鋁；3)將經(jīng)過步驟1)和步驟2)處理得到的碳源和陶瓷粉料加入到30-85℃液體懸浮介質(zhì)中，混合均勻后注入模具，凝固后經(jīng)脫模和干燥步驟得到含碳陶瓷素坯；所述懸浮介質(zhì)為莰烯、樟腦或萘中一種或兩種以上的混合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步驟1)所述鈦基偶聯(lián)劑為所述碳源重量的0.5-3％。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步驟2)所述硅烷偶聯(lián)劑為所述陶瓷粉料重量的0.3-3％。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)所述碳源和所述陶瓷粉料的重量比為1∶4-1∶19；所述懸浮介質(zhì)為0-50％重量的樟腦與50-100％重量莰烯的混合物或為15-80％重量的樟腦與20-85％重量的萘的混合物。
5.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述懸浮介質(zhì)體積與所述碳源和陶瓷粉料總體積之比為0.3∶0.7-1∶1。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于所述懸浮介質(zhì)中還加有分散劑。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于所述分散劑為超分散劑、陰離子型分散劑或嵌段聚合型非離子型表面分散劑中的一種或幾種。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于所述分散劑為步驟3)所述碳源和陶瓷粉料總重量的0.2-4％。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于步驟3)所述凝固溫度為0℃-30℃；所述干燥采用真空干燥。
10.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于步驟3)所述凝固溫度為0℃-30℃；所述干燥采用真空干燥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備含碳陶瓷素坯的方法。本發(fā)明所提供的方法，包括如下步驟1)在碳源中加入鈦基偶聯(lián)劑混合，所述碳源為炭黑、石墨或石油焦；2)在陶瓷粉料中加入硅烷偶聯(lián)劑混合，所述陶瓷粉料為碳化硅或氧化鋁；3)將經(jīng)過步驟1)和步驟2)處理得到的碳源和陶瓷粉料加入到30－85℃液體懸浮介質(zhì)中，混合均勻后注入模具，凝固后經(jīng)脫模和干燥步驟得到含碳陶瓷素坯；所述懸浮介質(zhì)為莰烯、樟腦或萘中一種或兩種以上的混合物。本發(fā)明方法簡單，設備要求低，生產(chǎn)過程成本低，并能制備出大尺寸、結(jié)構復雜的陶瓷素坯制品，具有廣泛的用途。
文檔編號C04B35/63GK1587205SQ20041007389
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月8日 優(yōu)先權日2004年9月8日
發(fā)明者王 華, 陳玉峰, 樊啟晟 申請人:中國建筑材料科學研究院