專利名稱：一種用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制備技術(shù)，進(jìn)一步是指用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品。
背景技術(shù)：
目前再結(jié)晶碳化硅(R-SiC)制品的制備方法是將較粗的碳化硅顆粒與很細(xì)的碳 化硅微粉混合后，用注漿法成形，然后在真空感應(yīng)燒結(jié)爐內(nèi)于2300°C以上的高溫條件下，使 細(xì)顆粒碳化硅蒸發(fā)并在粗顆粒碳化硅的接觸頸部重新凝聚，從而使粗顆粒碳化硅相互結(jié)合 起來形成均勻一致的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于再結(jié)晶碳化硅沒有其他結(jié)合相和雜質(zhì)，純度 取決于碳化硅粉體的純度，可達(dá)99%，且都是結(jié)晶很好的高溫穩(wěn)定型碳化硅，因而具有優(yōu) 異的高溫力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度隨溫度升高而線性增加，在1400°C的強(qiáng)度比室溫下提高約 20 %，且具有很好的熱傳導(dǎo)能力，是目前能在1600°C高溫空氣環(huán)境下長期使用的一種綜合 性能較理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。與其他陶瓷在燒結(jié)過程中產(chǎn)生收縮而致密化的機(jī)理不同，再結(jié)晶碳化硅制品的燒 結(jié)機(jī)理是蒸發(fā)-凝聚機(jī)制，燒結(jié)過程沒有收縮，因而最終制品的密度取決于燒結(jié)前生坯的 顆粒堆積密度。盡管目前已對(duì)再結(jié)晶碳化硅制品的顆粒級(jí)配和成形方法進(jìn)行了大量研究， 以求獲得最大的顆粒堆積密度，但再結(jié)晶碳化硅制品的最終密度仍無法突破2. 75g/cm3, 約為碳化硅材料理論密度3. 215g/cm3的85%，即目前最好的再結(jié)晶碳化硅制品還存在有 15%的氣孔，且這些氣孔是相互連通的，開口氣孔率在14%以上。這些氣孔的存在，一方面 制約了再結(jié)晶碳化硅制品的強(qiáng)度，使得再結(jié)晶碳化硅制品的強(qiáng)度還不及熱壓燒結(jié)的致密碳 化硅制品的30% ；另一方面，由于這些氣孔是相互連通的，為空氣中的氧深入到再結(jié)晶碳化 硅制品內(nèi)部在高溫下發(fā)生氧化提供了便利的通道，使再結(jié)晶碳化硅制品在高溫下的氧化較 為突出，嚴(yán)重影響了再結(jié)晶碳化硅制品的抗熱震性和使用壽命。因此，提高再結(jié)晶碳化硅制 品的密度，特別是將降低制品表面的氣孔率，阻隔氧氣進(jìn)入再結(jié)晶碳化硅制品內(nèi)部的通道， 是提高再結(jié)晶碳化硅制品的強(qiáng)度和使用壽命的有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種用浸漬裂解法 制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法，能有效提高再結(jié)晶碳化硅制品的密度，特別是在整 體密度提高的同時(shí)，能很好地封閉再結(jié)晶碳化硅制品的表面氣孔，以隔斷氧氣進(jìn)入制品內(nèi) 部發(fā)生氧化的通道，從而最大限度地提高再結(jié)晶碳化硅制品的室溫和高溫強(qiáng)度，增強(qiáng)制品 的高溫抗氧化能力，提高再結(jié)晶碳化硅制品的使用壽命，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案為，所述一種用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方 法包括以下步驟(1)將密度為2. 45g/cm3 2. 70g/cm3的普通再結(jié)晶碳化硅制品清洗干凈，并在 100°C 120°C下干燥；
(2)將分子量為1200 3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為0. 5微米 2微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸漬漿料， 其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳化硅微粉 10 50份，聚碳硅烷 20 50份，二甲苯 50 75份；(3)將經(jīng)步驟(1)處理的再結(jié)晶碳化硅制品置于真空浸漬室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵，待真空室內(nèi)的壓力小于IOPa時(shí)，將浸漬漿料吸入真空室內(nèi)，使溶液完全浸沒再結(jié)晶碳化硅制 品，根據(jù)產(chǎn)品厚度不同，每次浸漬時(shí)間為15分鐘 60分鐘；(4)將浸漬后的再結(jié)晶碳化硅制品取出，在60°C 90°C下干燥，即完成一個(gè)浸漬 周期；(5)根據(jù)制品的氣孔率和密度要求，重復(fù)步驟(3)和步驟(4)；每重復(fù)一次步驟 (3)和步驟(4)為1個(gè)浸漬周期，重復(fù)2個(gè)至6個(gè)浸漬周期，得浸漬再結(jié)晶碳化硅制品；(6)將浸漬再結(jié)晶碳化硅制品置于真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5°C IO0C的速率升溫至700°C 800°C，保持1小時(shí) 2小時(shí)，使聚碳硅烷裂解；待聚碳硅烷裂解 完成后，通入氬氣至大氣壓力，再以每分鐘5°C 10°C的速率升溫至1400°C 2400°C，得到 高密度再結(jié)晶碳化硅制品。所述高密度再結(jié)晶碳化硅制品的體積密度為2. 85 2. 95g/cm3，其開口氣孔率為 3 5%，室溫抗彎強(qiáng)度為110 130MPa，1400°C的高溫抗彎強(qiáng)度為130 150MPa。以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。本發(fā)明的技術(shù)貢獻(xiàn)是，在普通再結(jié)晶碳化硅制品的基礎(chǔ)上，通過多次真空浸漬含 碳化硅微粉和聚碳硅烷的漿料，使普通再結(jié)晶碳化硅制品中的開口氣孔大部分被填充。聚 碳硅烷在700°C 800°C裂解為非晶硅碳化合物，在1200°C以上形成碳化硅結(jié)晶。由于填充 到再結(jié)晶碳化硅氣孔中的最終產(chǎn)物都是碳化硅，因此，保持了再結(jié)晶碳化硅高純度的特點(diǎn)， 不僅有利于再結(jié)晶碳化硅制品室溫強(qiáng)度的提高，而且同樣能提高制品的高溫強(qiáng)度和在高溫 下的抗氧化能力，從而可提高再結(jié)晶碳化硅制品的使用壽命，擴(kuò)大其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的 應(yīng)用范圍。用本發(fā)明制備的高密度再結(jié)晶碳化硅制品與普通再結(jié)晶碳化硅制品相比，首先是 制品的體積密度可在原有基礎(chǔ)上提高8% 15%，即從普通再結(jié)晶碳化硅制品的2. 45g/ cm3 2. 70g/cm3提高到2. 85g/cm3 2. 95g/cm3，開口氣孔率從15% 20%降低到3%~ 5% ；其次，用本發(fā)明制備的高密度再結(jié)晶碳化硅制品的室溫抗彎強(qiáng)度由原來的60MPa 90MPa提高到IlOMPa 130MPa，提高幅度為45 % 80 % ；1400°C的高溫抗彎強(qiáng)度由 75MPa IlOMPa提高到125MPa 150MPa，提高幅度為36% 67% ；第三，因高密度再結(jié)晶 碳化硅制品的開口氣孔率大幅度降低，其在1400°C的等溫氧化增重僅為普通再結(jié)晶碳化硅 的20% 35%，在1300°C 1500°C溫度區(qū)間相同條件下的使用壽命延長30% 50%。由以上可知，本發(fā)明為一種用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法， 該方法在顯著提高普通再結(jié)晶碳化硅制品體積密度的同時(shí)，保持了再結(jié)晶碳化硅制品高純 度的特點(diǎn)，因而不僅大幅提高了再結(jié)晶碳化硅制品的室溫強(qiáng)度，而且也顯著提高了制品的 高溫強(qiáng)度和在高溫下的抗氧化能力，從而延長了再結(jié)晶碳化硅制品的使用壽命，可望擴(kuò)大其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 所述用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法是(1)將密度為2. 5g/cm3的普通再結(jié)晶碳化硅制品清洗干凈，并在100°C下干燥；(2)將分子量為1400 1800的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為1微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸漬漿料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為碳化硅微粉50份，
聚碳硅烷 25份，二甲苯75 份；(3)將經(jīng)步驟(1)處理的普通再結(jié)晶碳化硅制品置于真空浸漬室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵， 待真空室內(nèi)的壓力小于IOPa時(shí)，將浸漬漿料吸入真空室內(nèi)，使溶液完全浸沒再結(jié)晶碳化硅 制品，每次浸漬時(shí)間為60分鐘；(4)將浸漬后的再結(jié)晶碳化硅制品取出，在90°C下干燥。(5)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，再重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，得浸漬再結(jié)晶碳化硅制
P
m ；(6)將浸漬再結(jié)晶碳化硅制品置于真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5°C的 速率升溫至700°C，使聚碳硅烷裂解，在700 800°C間保持2小時(shí)，然后通入氬氣至大氣壓 力，再以每分鐘6°C的速率升溫至1500°C，保溫2小時(shí)，得到體積密度為2. 87g/cm3的高密 度再結(jié)晶碳化硅制品，其開口氣孔率為4. 5%，室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)到115MPa，1400°C的高溫抗 彎強(qiáng)度為135MPa。實(shí)施例2 所述用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法是(1)將密度為2. 65g/cm3的普通再結(jié)晶碳化硅制品清洗干凈，并在110°C下干燥；(2)將分子量為1400 2000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為1. 5微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸漬漿料，其質(zhì)量分 數(shù)為碳化硅微粉25份，聚碳硅烷35份，二甲苯 60 份；(3)將經(jīng)步驟(1)處理的普通再結(jié)晶碳化硅制品置于真空浸漬室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵， 待真空室內(nèi)的壓力小于IOPa時(shí)，將浸漬漿料吸入真空室內(nèi)，使溶液完全浸沒再結(jié)晶碳化硅 制品，每次浸漬時(shí)間為30分鐘；(4)將浸漬后的再結(jié)晶碳化硅制品取出，在80°C下干燥；(5)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，共進(jìn)行3次該重復(fù)，得浸漬再結(jié)晶碳化硅制品；(6)將浸漬再結(jié)晶碳化硅制品置于真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘8°C的 速率升溫至700°C，使聚碳硅烷裂解，在700 800°C間保持1. 5小時(shí)，然后通入氬氣至大氣 壓力，再以每分鐘8°C的速率升溫至2200°C，保溫1. 5小時(shí)，得到體積密度為2. 92g/cm3的 高密度再結(jié)晶碳化硅制品，其開口氣孔率為3. 5%，室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)到125MPa，1400°C的高溫抗彎強(qiáng)度為140MPa。實(shí)施例3 所述用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法是(1)將密度為2. 72g/cm3的普通再結(jié)晶碳化硅制品清洗干凈，并在120°C下干燥。(2)將分子量為2000 3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為0. 5微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸漬漿料，其質(zhì)量分 數(shù)為碳化硅微粉10份，聚碳硅烷 45份，二甲苯55 份；(3)將經(jīng)步驟(1)處理的普通再結(jié)晶碳化硅制品置于真空浸漬室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵， 待真空室內(nèi)的壓力小于IOPa時(shí)，將浸漬漿料吸入真空室內(nèi)，使溶液完全浸沒再結(jié)晶碳化硅 制品，每次浸漬時(shí)間為15分鐘。(4)將浸漬后的再結(jié)晶碳化硅制品取出，在80°C下干燥。(5)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，共進(jìn)行5次該重復(fù)，得浸漬再結(jié)晶碳化硅制品；(6)將浸漬再結(jié)晶碳化硅制品置于真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘10°C的 速率升溫至700°C，使聚碳硅烷裂解，在700 800°C間保持1小時(shí)，然后通入氬氣至大氣壓 力，再以每分鐘10°C的速率升溫至2350°C，保溫2小時(shí)，得到體積密度為2. 95g/cm3的高密 度再結(jié)晶碳化硅制品，其開口氣孔率為3%，室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)到130MPa，140(TC的高溫抗彎 強(qiáng)度為150MPa。
權(quán)利要求
一種用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法，包括以下步驟(1)將密度為2.45g/cm3～2.70g/cm3的普通再結(jié)晶碳化硅制品清洗干凈，并在100℃～120℃下干燥；(2)將分子量為1200～3000的聚碳硅烷溶解于二甲苯溶液中，再加入平均粒徑為0.5微米～2微米的碳化硅微粉，配制成含碳化硅微粉、聚碳硅烷和二甲苯的浸漬漿料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳化硅微粉10～50份，聚碳硅烷 20～50份，二甲苯50～75份；(3)將經(jīng)步驟(1)處理的再結(jié)晶碳化硅制品置于真空浸漬室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵，待真空室內(nèi)的壓力小于10Pa時(shí)，將浸漬漿料吸入真空室內(nèi)，使溶液完全浸沒再結(jié)晶碳化硅制品，根據(jù)產(chǎn)品厚度不同，每次浸漬時(shí)間為15分鐘～60分鐘；(4)將浸漬后的再結(jié)晶碳化硅制品取出，在60℃～90℃下干燥，即完成一個(gè)浸漬周期；(5)根據(jù)制品的氣孔率和密度要求，重復(fù)步驟(3)和步驟(4)；每重復(fù)一次步驟(3)和步驟(4)為1個(gè)浸漬周期，重復(fù)2個(gè)至6個(gè)浸漬周期，得浸漬再結(jié)晶碳化硅制品；(6)將浸漬再結(jié)晶碳化硅制品置于真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5℃～10℃的速率升溫至700℃～800℃，保持1小時(shí)～2小時(shí)，使聚碳硅烷裂解；待聚碳硅烷裂解完成后，通入氬氣至大氣壓力，再以每分鐘5℃～10℃的速率升溫至1400℃～2400℃，得到高密度再結(jié)晶碳化硅制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法，其特征 是，所述高密度再結(jié)晶碳化硅制品的體積密度為2. 85 2. 95g/cm3，其開口氣孔率為3 5%，室溫抗彎強(qiáng)度為110 130MPa，1400°C的高溫抗彎強(qiáng)度為130 150MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用浸漬裂解法制備高密度再結(jié)晶碳化硅制品的方法。它通過多次真空浸漬含碳化硅微粉和聚碳硅烷的漿料，使普通再結(jié)晶碳化硅制品的開口氣孔大部分被填充。聚碳硅烷在高溫下裂解并形成碳化硅結(jié)晶，保持了再結(jié)晶碳化硅制品高純度的特點(diǎn)。用該方法制備的高密度再結(jié)晶碳化硅制品的體積密度為2.85～2.95g/cm3，開口氣孔率3～5％，室溫抗彎強(qiáng)度為110～130MPa，1400℃的高溫抗彎強(qiáng)度為130～150MPa；還顯著提高了制品的高溫抗氧化能力，延長了使用壽命，可望擴(kuò)大其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)C04B35/565GK101823884SQ20101011472
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者肖漢寧, 郭文明, 高朋召 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)