本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及晶硅片切割刃料尾料反應(yīng)燒結(jié)制備細粉碳化硅陶瓷機器及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅的制備工藝主要有無壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)。無壓燒結(jié)是在常壓下采用惰性氣氛保護，通過燒結(jié)助劑進行燒結(jié)的工藝。通常有b、al、fe、cr、ca、y等元素或者其氧化物作為燒結(jié)助劑促進碳化硅燒結(jié)的致密化。根據(jù)燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程的相態(tài)分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種。1974年sprochazka以高純度β-sic細粉為原料，采用b和c作為燒結(jié)助劑在2020℃無壓固相燒結(jié)制備碳化硅陶瓷，致密度達到了98％，彎曲強度達到500mpa，燒結(jié)傳質(zhì)方式為擴散機制。通過力學性能研究測試發(fā)現(xiàn)該工藝下獲得的制品斷裂方式為穿晶斷裂，由于在高溫下晶粒尺寸粗大，均勻性差，斷裂韌性較低。另外對原料純度要求較高，而且燒結(jié)溫度大于2000℃，能耗過高。液相燒結(jié)機理為在燒結(jié)溫度下燒結(jié)助劑形成共熔液相，燒結(jié)傳質(zhì)方式變?yōu)檎承粤鲃觽髻|(zhì)，降低了燒結(jié)溫度，減少了能耗，斷裂方式為沿晶斷裂。劉寶英等采用4.5％～7.5％氧化鋁、2.5～5.5％氧化釔作為燒結(jié)助劑，燒結(jié)溫度為1780℃，制備出的材料密度為3.13g/cm³，室溫下彎曲強度達到了405mpa。由于液相揮發(fā)會造成陶瓷的致密度下降，因此強度略有下降，同時液相存在也影響材料的高溫使用性能。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷直接采用一定顆粒級配的碳化硅，與碳混合后成型生坯，然后在高溫下進行滲硅，部分硅與碳反應(yīng)生產(chǎn)碳化硅與原來坯體中的碳化硅結(jié)合,達到燒結(jié)目的。滲硅的方法有兩種：一種是溫度達到硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的液相，通過毛細管的作用，硅直接進入坯體與碳反應(yīng)生產(chǎn)碳化硅至燒結(jié)；另一種是溫度大于硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的蒸氣，通過硅蒸氣深入坯體達到燒結(jié)目的。前一種方法燒結(jié)后殘留的游離硅一般較多，通常達到10～15％，有時會達到15％以上；用氣相法滲硅，由于坯體的預留氣孔可以盡量少，燒結(jié)后的游離硅含量可降低到10％。和無壓燒結(jié)相比，反應(yīng)燒結(jié)能在較低溫度(1450～1700℃)下完成，燒結(jié)后的產(chǎn)品收縮僅在3％以內(nèi)，可以實現(xiàn)近凈尺寸燒結(jié)，碳與碳化硅的骨架可以預先車削成任何形狀，這有利于產(chǎn)品尺寸和形狀控制。采用的原料碳化硅、c結(jié)合劑等均無需特殊處理，生產(chǎn)成本較低。但是，反應(yīng)燒結(jié)工藝決定了燒結(jié)坯體中殘留游離硅，這部分對以后產(chǎn)品的應(yīng)用產(chǎn)生影響，一方面使得燒結(jié)體的強度和耐磨性下降，另一方面游離硅的存在降低了碳化硅的耐酸堿性能。

由于反應(yīng)燒結(jié)生產(chǎn)工藝相對簡單，生產(chǎn)成本較低，所以國內(nèi)大部分碳化硅密封件、碳化硅軸承、碳化硅噴嘴等生產(chǎn)廠家所選擇。但是普通的反應(yīng)燒結(jié)工藝采用顆粒級配的碳化硅作為原料，雜質(zhì)含量高，粒徑分布寬(10～50微米)導致反應(yīng)燒結(jié)材料的性能不高。近年來部分研究采用納米級超細碳化硅微粉為原料制備出燒結(jié)密度為3.057g/cm³，彎曲強度達到800mpa以上的碳化硅陶瓷，顯微硬度為28.1gpa。極大的提高了材料的機械性能，但納米級的碳化硅微粉原料售價在萬元/噸以上，生產(chǎn)成本過高，不利于規(guī)?；茝V。

細粉sic陶瓷具有比普通sic陶瓷具有更高的強度和硬度等優(yōu)異的性能。由于普通的反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷原料采用級配，粒徑分布較寬，導致性能不理想，因此探索以成本極低的晶硅片切割刃料尾料細粉為原料制備反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，具有十分廣闊的市場空間和良好的經(jīng)濟及社會效益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請以晶硅片切割刃料尾料細粉為細粉原料反應(yīng)燒結(jié)細粉碳化硅陶瓷，極大降低了制備成本，原料粉體通過化學法除雜，在混料機內(nèi)將原料碳化硅細粉、炭黑以及各種燒結(jié)助劑混合均勻，注漿成型后烘干，最后高溫滲硅，制備性能優(yōu)異的細粉碳化硅陶瓷。

具體的，本發(fā)明提供的細粉碳化硅陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟：

s1：將炭黑、細粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料，其中，所述細粉碳化硅為粒徑為3.2～3.9微米的晶硅片切割刃料尾料細粉，所述炭黑和所述細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：6～8，所述分散劑和所述細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：120～150，所述減水劑和所述細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：800～1800，所述分散介質(zhì)和所述細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：20～25；

s2：將所述混合漿料注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在75～85℃烘干4～6小時；

s3：將烘干后的坯料用由氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末進行包埋，之后依次于真空狀態(tài)下100～300℃干燥2個小時，氮氣氣氛下在350～850℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下升溫至1650～1720℃燒結(jié)，得到所述細粉碳化硅陶瓷，其中，混合粉末中炭黑、硅粉、氮化硼的質(zhì)量比為1:50：1000～1250。

優(yōu)選地，所述分散劑為聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物，所述混合物中聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90按照質(zhì)量比1:6～12的比例混合。

優(yōu)選地，所述減水劑為聚羧酸減水劑ce-64。

優(yōu)選地，所述分散介質(zhì)為去離子水。

優(yōu)選地，s1中，將炭黑、細粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料的具體步驟為：將炭黑、細粉碳化硅、分散劑和減水劑加入分散介質(zhì)中，攪拌4～5小時，室溫下測試粘度小于等于800mpa.s。

優(yōu)選地，s3中的燒結(jié)步驟是：s3中的燒結(jié)步驟是：包埋后的坯料依次在真空狀態(tài)下150～200℃干燥2個小時，氮氣氣氛下560～600℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下升溫至1650～1720℃燒結(jié)，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫。

本發(fā)明還提供了一種細粉碳化硅陶瓷，由上述任一所述的制備方法制得。

優(yōu)選地，所述碳化硅陶瓷的密度為3.03～3.05g/cm³，彎曲強度為550～580mpa。

本發(fā)明提供的細粉碳化硅陶瓷的制備方法，工藝簡單，以成本極低的晶硅片切割刃料尾料細粉為細粉原料反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，極大降低了制備成本，選擇聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物作為分散劑，聚羧酸減水劑ce-64作為減水劑，對粒徑在3.2～3.9微米之間的晶硅片切割刃料尾料起到很好的分散作用；選用氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末對坯料進行包埋，以控制最終產(chǎn)品中的游離硅含量，增強了產(chǎn)品的機械性能，提高了產(chǎn)品的最高使用溫度；所制得的細粉碳化硅陶瓷機械性能好，致密度高，具有比普通sic陶瓷具有更高的強度和硬度等優(yōu)異的性能，具有十分廣闊的市場空間和良好的經(jīng)濟及社會效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的細粉碳化硅陶瓷的制備方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例2提供的細粉碳化硅陶瓷的斷口掃描圖片。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案能予以實施，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。

一種細粉碳化硅陶瓷的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：

s1：將炭黑、細粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料，其中，細粉碳化硅為粒徑為3.2～3.9微米的晶硅片切割刃料尾料細粉，炭黑和細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：6～8，分散劑和細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：120～150，減水劑和細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：800～1800，分散介質(zhì)和細粉碳化硅的質(zhì)量比為1：20～25；

s2：將混合漿料注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在75～85℃烘干4～6小時；

s3：將烘干后的坯料用由氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末進行包埋，之后依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至100～300℃干燥2個小時，氮氣氣氛下以5℃/min的速度升溫至350～850℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1650～1720℃燒結(jié)，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫，得到所述細粉碳化硅陶瓷，其中，混合粉末中炭黑、硅粉、氮化硼的質(zhì)量比為1:50：1000～1250。

上述選用晶硅片切割刃料尾料細粉作為細粉原料反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，極大降低了制備成本，其原料粉體通過化學法除雜，在混料機內(nèi)將原料碳化硅細粉、炭黑以及各種燒結(jié)助劑混合均勻，注漿成型后烘干，最后高溫滲硅，得到一種高致密、細顆粒反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷。

由于作為原料粉體的晶硅片切割刃料尾料粒徑在3.2～3.9微米之間，分散很困難，選擇分散劑和減水劑制備均勻的漿料是制備碳化硅陶瓷的技術(shù)難點，因此，上述分散劑選用聚乙烯吡咯烷酮，優(yōu)選地，選擇一定比例的聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物，通過聚合度的組合調(diào)整，滿足體系中粘度和強度的需要；減水劑選用聚羧酸減水劑ce-64，以降低粘度和增加穩(wěn)定性，對晶硅片切割刃料尾料起到很好的分散作用，得到了均勻的混合漿料；由于目標產(chǎn)品中的游離硅含量對產(chǎn)品的機械性能及最高使用溫度影響很大，本申請在制備過程中通過氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末對坯料進行包埋，以控制最終產(chǎn)品中的游離硅含量，增強了產(chǎn)品的機械性能。

以下就本發(fā)明提供的制備方法制備細粉碳化硅陶瓷進行具體的舉例說明。

實施例1

一種細粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.2微米的細粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90、0.5g聚乙烯吡咯烷酮-k30、0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到40g去離子水中，機械攪拌5小時混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計室溫下測試粘度不高于800mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以80℃烘干5小時；將烘干后的樣品以硅含量為70g的氮化硼炭黑混合粉進行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.4g、硅粉70g、氮化硼1400g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至150℃干燥2個小時，氮氣氣氛下以5℃/min的速度升溫至600℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1700℃燒結(jié)，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.05g/cm³，彎曲強度為580mpa。

實施例2

一種細粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.6微米的細粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90，1g聚乙烯吡咯烷酮-k30，0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到36g去離子水中，機械攪拌5小時混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計室溫下測試粘度不高于700mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以80℃烘干5小時；將烘干后的樣品以硅含量為80g的氮化硼炭黑混合粉進行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.6g、硅粉80g、氮化硼1920g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至150℃干燥2個小時，氮氣氣氛下以5℃/min的速度升溫至600℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1700℃燒結(jié)，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.03g/cm³，彎曲強度為550mpa。

實施例3

一種細粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.9微米的細粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90，1g聚乙烯吡咯烷酮-k30，0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到36g去離子水中，機械攪拌5小時混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計室溫下測試粘度不高于700mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以85℃烘干5小時；將烘干后的樣品以硅含量為80g的氮化硼炭黑混合粉進行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.6g、硅粉80g、氮化硼1760g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至200℃干燥2個小時，氮氣氣氛下以5℃/min的速度升溫至580℃排膠3個小時，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1650℃燒結(jié)，保溫2小時后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.06g/cm³，彎曲強度為570mpa。

對實施例2所制備的細粉碳化硅陶瓷進行sem測試及彎曲強度測試，將燒結(jié)后的樣品取出制樣，尺寸為3×3×36mm的長條，在萬能試驗機做三點彎曲強度測試，然后在掃描電鏡下觀察斷口形貌。實施例2所得樣品斷口形貌如圖2所示。從圖中可以看出碳化硅顆粒大小為3.6微米左右，沒有發(fā)現(xiàn)較大的氣孔分布，結(jié)構(gòu)均勻，三點彎曲強度測試顯示彎曲強度達到了550mpa，這與其高致密度及氣孔含量少有著密切關(guān)系。

以上所述實施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實施例，其保護范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。