本發(fā)明屬于陶瓷與耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅基陶瓷材料是在碳化硅陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展出的一系列陶瓷材料，其中包括：氧化物結(jié)合碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅、Sialon結(jié)合碳化硅等一系列高技術(shù)陶瓷材料。該系列陶瓷材料具有耐高溫、強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗熱震、抗氧化、耐磨損等一系列優(yōu)異性能，在冶金、陶瓷、建材、石化、機(jī)械、電力電子、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中，氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料利用金屬硅粉在氮?dú)庵邪l(fā)生氮化反應(yīng)形成氮化硅，將碳化硅顆粒結(jié)合成一體，從而形成交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顯微組織。其制備工藝簡(jiǎn)單，投資成本低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，是市場(chǎng)需求量較大的品種之一。

目前，大型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品一般采用注漿成型法，制品開(kāi)口氣孔率較高、體積密度較低(通常開(kāi)口氣孔率高達(dá)18％以上，體積密度在2.50g/cm³以下)，使得產(chǎn)品性能受到嚴(yán)重影響，應(yīng)用范圍受到限制。例如，鋁合金鑄造用的升液管和其它管道，除耐腐蝕、抗熱震等性能要求外，對(duì)氣密性要求很高，一般要求其開(kāi)口氣孔率小于15％；用于熱鍍鋅行業(yè)的氮化硅加熱器保護(hù)套管，要求開(kāi)口氣孔率也在15％左右，以防止鋅合金液的滲透，損壞發(fā)熱體。因此，如何利用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備條件，在不大幅度增加成本的條件下，降低注漿成型氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的顯氣孔率、提高密度，獲得性能優(yōu)良的材料，對(duì)生產(chǎn)廠家和用戶(hù)都非常具有吸引力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的制備方法，針對(duì)注漿成型反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料，首先對(duì)原材料進(jìn)行改性處理，以增加成型過(guò)程中材料的穩(wěn)定性，保證金屬Si粉氮化完全；其次對(duì)坯體浸漬處理以降低材料的氣孔率；最后嚴(yán)格控制氮化燒結(jié)制度與氣氛，提高氮化率；最終保證了制品的低氣孔率和高的體積密度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將金屬Si粉用鹽酸浸泡24小時(shí)，用去離子水洗至中性，烘干后備用；

2)將1#SiC粉用去離子水浸泡24小時(shí)，烘干后備用；

3)將2#SiC和3#SiC顆粒按比例混合均勻后，外加硅溶膠，攪拌成濕砂料；

4)將處理后的1#SiC粉和金屬Si粉按比例干法球磨混合均勻，加入上述濕砂料中，攪拌成均勻漿料，靜置30min，加入促凝劑NH₄Cl，攪拌均勻；

5)采用常壓注漿方式將步驟4)加入促凝劑攪拌均勻后的漿料迅速注入模具中，將模具放在振動(dòng)臺(tái)上，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)，間歇式加料，振動(dòng)成型；

6)將成型后的試樣自然干燥24小時(shí)，再在烘箱中于110℃干燥2小時(shí)后脫模得到素坯；

7)將制得的素坯放入容器中，并置入真空箱中，抽真空至壓力小于-0.1MPa，保持5min；將氯化鋁溶液注入容器中，將試樣淹沒(méi)，在真空狀態(tài)下保持20min后取出容器靜置30min；

8)將浸漬后的試樣在烘箱中110℃干燥2小時(shí)，得到一次浸漬處理的試樣；

9)重復(fù)7)、8)操作，得到二次浸漬試樣；

10)將二次浸漬試樣放入可控氣氛燒結(jié)爐中在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)燒結(jié)。

所述步驟1)中，Si粉的粒度為325目，鹽酸濃度為0.1mol/L。

所述步驟2)、3)中，1#SiC粉、2#SiC和3#SiC顆粒的粒度分別為200目、14-30目和80目。

所述步驟3)中，外加硅溶膠的濃度為25wt％。

所述步驟3)中，2#SiC和3#SiC顆粒的質(zhì)量比為80:20，硅溶膠為外加，加入量占2#SiC和3#SiC顆粒兩者總量的20wt％。

所述步驟4)中，處理后的1#SiC粉和金屬Si粉的加入量分別為濕砂料的7wt％和16wt％。NH₄Cl的濃度為20wt％，加入量為硅溶膠加入質(zhì)量的0.7wt％。

所述步驟7)中，氯化鋁溶液的濃度為10-20wt％。

所述步驟10)中，通入氮?dú)鉃楦呒兞鲃?dòng)氮?dú)猓瑺t內(nèi)保持微正壓。最高燒成溫度為1420-1450℃，保溫時(shí)間8-10小時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的注漿成型不需要石膏模具，且在不明顯增加生產(chǎn)成本的情況下，制備出了一種反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅材料，其開(kāi)口氣孔率可以達(dá)到13.5％，體積密度可以達(dá)到2.70g/cm³。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的制備工藝流程圖。

圖2是樣品的X射線衍射圖。

圖3是樣品的顯微結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

本發(fā)明中，Si粉的粒度為325目，鹽酸濃度為0.1mol/L，1#SiC粉、2#SiC和3#SiC顆粒的粒度分別為200目、14-30目和80目。

實(shí)施例1：

如圖1所示，一種低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一，將金屬Si粉用濃度為0.1mol/L的鹽酸浸泡24小時(shí)，用去離子水洗至中性，烘干后備用。

步驟二，將1#SiC粉用去離子水浸泡24小時(shí)，烘干后備用。

步驟三，按質(zhì)量比4:1的比例分別稱(chēng)取將2#和3#SiC顆粒，混合均勻，外加占兩者總質(zhì)量20％的硅溶膠，攪拌成濕砂料。

步驟四，分別按濕砂料的7wt％和16wt％稱(chēng)取處理后的1#SiC粉和金屬Si粉，干法球磨混合均勻，加入上述濕砂料中，攪拌均勻成漿料，放置30min，按硅溶膠用量的0.7％加入NH₄Cl，攪拌均勻。

步驟五，采用常壓注漿方式將其迅速注入模具中，將模具放在振動(dòng)臺(tái)上，開(kāi)振動(dòng)臺(tái)，間歇式加料。

步驟六，將成型后的試樣自然干燥24小時(shí)，再在烘箱中于110℃干燥2小時(shí)后脫模。

步驟七，將制得的素坯放入容器中，置入真空箱中，抽真空至負(fù)壓-0.1MPa，保持5min，將濃度為20wt％的氯化鋁溶液注入容器中，將試樣淹沒(méi)，液面高出試樣約2cm，在真空狀態(tài)下保持20min，取出后常壓靜置30min。

步驟八，將浸漬后試樣在烘箱中110℃干燥2小時(shí)，得到一次浸漬處理的試樣。

步驟九，重復(fù)步驟六和七操作，得到二次浸漬試樣。

步驟十，將試樣放入可控氣氛燒結(jié)爐中氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)燒結(jié)，最高燒成溫度為1420℃，保溫時(shí)間10小時(shí)。

所得到的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的X射線衍射分析如圖2所示，試樣主要包含三個(gè)相，SiC是配料中引入的，Si₃N₄是Si粉氮化生成的，而Si₂N₂O則是結(jié)合劑參與了Si粉氮化過(guò)程和燒結(jié)過(guò)程而形成的。X射線衍射分析中并未發(fā)現(xiàn)殘余Si的峰，說(shuō)明Si幾乎完全轉(zhuǎn)化成了Si₃N₄和Si₂N₂O。

低氣孔率反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的氣孔率和體積密度測(cè)試采用排水法測(cè)試。

所得到的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的開(kāi)口氣孔率為13.5％，體積密度為2.70g/cm³。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1所不同的是：最高燒成溫度為1450℃。

所得到的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的開(kāi)口氣孔率13.8％，體積密度為2.66g/cm³

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1所不同的是：浸泡素坯用的氯化鋁溶液的濃度為10wt％。

所得到的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的開(kāi)口氣孔率14.0％，體積密度為2.65g/cm³

用掃描電子顯微鏡對(duì)該樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖3所示，黑色者為SiC顆粒，可以看到樣品由不同粒度的SiC顆粒形成骨架，而白色者為Si₃N₄基體，充填于SiC骨架之間，包裹著SiC顆粒，形成了良好的結(jié)合體。