本發(fā)明涉及陶瓷材料制備，具體而言涉及一種高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳化硅陶瓷作為一種高性能的耐高溫材料，不僅具備優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，而且在各種極端環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性和可靠性，因此，可以作為制備高溫爐管的材料。高溫爐管材料中使用的碳化硅通常要求較高的致密性和抗熱沖擊性能和純凈度，目前通常采用反應(yīng)燒結(jié)，液相燒結(jié)等方法。

2、與其他燒結(jié)方法獲得的碳化硅陶瓷相比，重結(jié)晶碳化硅(r-sic)具有很高的純度和使用溫度，當(dāng)r-sic的致密度提升至一定程度時(shí)，其具有優(yōu)異的熱性能和純凈度，十分適合高溫爐管所處的極端環(huán)境。

3、但是，r-sic燒結(jié)通常無(wú)法達(dá)到足夠高的致密度，一般在2.5～2.6g/cm3，難以高于2.6g/cm3，例如，公布號(hào)為cn115340385a的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種孔徑可控的微米孔徑碳化硅多孔陶瓷及其制備方法，其重結(jié)晶制備獲得的碳化硅的孔徑為1～10μm，孔隙率為40～65％，即密度僅為1.12～1.92g/cm3，難以滿(mǎn)足作為高溫爐管等材料的需求。

4、導(dǎo)致上述情況的主要原因包括：(1)無(wú)燒結(jié)助劑，重結(jié)晶燒結(jié)過(guò)程中，由于不添加燒結(jié)助劑，依靠碳化硅自身的擴(kuò)散和再結(jié)晶完成致密化，導(dǎo)致材料在高溫下燒結(jié)時(shí)，晶粒長(zhǎng)大和致密化難以同時(shí)進(jìn)行；(2)氣孔問(wèn)題，重結(jié)晶燒結(jié)的過(guò)程中，材料中殘留的氣孔難以排除，特別是孔徑較小的氣孔，即使在高溫?zé)Y(jié)條件下也不易消除，導(dǎo)致燒結(jié)密度受限；(3)燒結(jié)溫度與時(shí)間限制，為了避免晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，通常會(huì)選擇相對(duì)較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時(shí)間，這限制了致密化過(guò)程的進(jìn)行，盡管個(gè)別研究通過(guò)采用更高的溫度(約2500℃)或非常長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間(數(shù)十小時(shí))，可以將密度提升到2.7g/cm3甚至更高，但這往往伴隨著晶粒顯著長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料機(jī)械性能的下降。

5、因此，重結(jié)晶燒結(jié)碳化硅密度難以突破2.6g/cm3的瓶頸成為了碳化硅領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有重結(jié)晶碳化硅燒結(jié)難以獲得密度高于2.6g/cm3的碳化硅的問(wèn)題，提供一種高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件及其制備方法，通過(guò)二次成型和二次燒結(jié)，以及結(jié)合二次成型顆粒尺寸和含量的設(shè)計(jì)，獲得碳化硅構(gòu)件的密度可達(dá)到2.75～3.1g/cm3。

2、根據(jù)本發(fā)明目的的第一方面，提供一種高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、將第一分散劑和第一粘結(jié)劑溶于去離子水中，再加入第一碳化硅粉和第二碳化硅粉，混合后球磨形成第一漿料，之后將所述第一漿料干燥、研磨，以及過(guò)篩后干壓成型，得到所需碳化硅構(gòu)件的生坯；其中，第一碳化硅粉的平均粒徑d1大于第二碳化硅粉的平均粒徑d2；

4、s2、將步驟s1得到的生坯置于惰性氣氛中重結(jié)晶燒結(jié)至t1，保溫后自然冷卻至室溫，得到碳化硅構(gòu)件的基體；

5、s3、根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率ρ1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，并根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑；其中，第三碳化硅粉的平均粒徑d3大于第四碳化硅粉的平均粒徑d4；

6、s4、將第二分散劑和第二粘結(jié)劑溶于去離子水中，再加入第三碳化硅粉和第四碳化硅粉，混合后球磨形成第二漿料，將基體在真空條件下浸漬于第二漿料中，直至第二漿料完全浸入基體中，之后室溫干燥；

7、s5、將步驟s4處理后的基體置于惰性氣氛中重結(jié)晶燒結(jié)至t2，保溫后自然冷卻至室溫，得到所需的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件。

8、作為可選的實(shí)施方式，第一碳化硅的平均粒徑d1的取值范圍為20μm～100μm，第二碳化硅的平均粒徑d2的取值范圍為0.5μm～1μm。

9、作為可選的實(shí)施方式，所述第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的質(zhì)量比為(1～7):1。

10、作為可選的實(shí)施方式，t1的取值為2100℃～2300℃，保溫時(shí)間為2h～5h。

11、作為可選的實(shí)施方式，根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率ρ1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，并根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑的原則如下：

12、第三碳化硅粉的平均粒徑d3≤a1；

13、第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積為v1*ρ1。

14、作為可選的實(shí)施方式，第三碳化硅的平均粒徑d3的取值范圍為4μm～15μm，第四碳化硅的平均粒徑d4的取值范圍為0.5μm～1μm。

15、作為可選的實(shí)施方式，所述第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的質(zhì)量比為(1～7):1。

16、作為可選的實(shí)施方式，t2的取值按照如下規(guī)則選取：

17、當(dāng)d3＜10μm時(shí)，t2比t1低100℃～150℃；

18、當(dāng)d3≥10μm時(shí)，t2＝t1。

19、作為可選的實(shí)施方式，所述第一分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或異丁烯馬來(lái)酸酐共聚物，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％；

20、所述第一粘結(jié)劑為聚乙烯醇和羧甲基纖維素鈉中的一種或兩者的混合物，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％。

21、作為可選的實(shí)施方式，所述第二分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或者異丁烯馬來(lái)酸酐共聚物，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％；

22、所述第二粘結(jié)劑為聚乙烯醇和羧甲基纖維素鈉中的一種或兩者的混合物，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％。

23、作為可選的實(shí)施方式，所述第一漿料的固含量不小于60wt％，第二漿料的固含量范圍是20wt％～60wt％。

24、根據(jù)本發(fā)明目的的第二方面，提供一種采用前述方法制備的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件。

25、作為可選的實(shí)施方式，所述高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的密度為2.75g/cm3～3.1g/cm3，氣孔率為3％～14％，平均氣孔尺寸為0.5μm～5μm。

26、由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明提出的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，以一次燒結(jié)成型高氣孔率碳化硅陶瓷件作為二次燒結(jié)成型的基體，并根據(jù)一次燒結(jié)的結(jié)果設(shè)計(jì)二次燒結(jié)成型配方，選用能夠滲透到氣孔中的碳化硅顆粒作為二次燒結(jié)成型的陶瓷原料，使其能夠充分填充到一次燒結(jié)的碳化硅基體中，再結(jié)合燒結(jié)溫度設(shè)計(jì)，二次燒結(jié)后留下更細(xì)小的氣孔，極大的降低了成型件的氣孔率和氣孔尺寸，克服了重結(jié)晶法制備的碳化硅構(gòu)件氣孔率較高的缺點(diǎn)，獲得的碳化硅構(gòu)件具有2.75～3.1g/cm3的高密度，提高了碳化硅構(gòu)件的強(qiáng)度。

技術(shù)特征：

1.一種高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，第一碳化硅的平均粒徑d1的取值范圍為20μm～100μm，第二碳化硅的平均粒徑d2的取值范圍為0.5μm～1μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的質(zhì)量比為(1～7):1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，t1的取值為2100℃～2300℃，保溫時(shí)間為2h～5h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率ρ1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，并根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑的原則如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，第三碳化硅的平均粒徑d3的取值范圍為4μm～15μm，第四碳化硅的平均粒徑d4的取值范圍為0.5μm～1μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的質(zhì)量比為(1～7):1。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，t2的取值按照如下規(guī)則選?。?/p>

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述第一分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或異丁烯馬來(lái)酸酐共聚物，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％；

10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述第二分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或者異丁烯馬來(lái)酸酐共聚物，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質(zhì)量的0.5％～3％；

11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述第一漿料的固含量不小于60wt％，第二漿料的固含量范圍是20wt％～60wt％。

12.一種采用權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)所述的方法制備的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件，其特征在于，所述高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的密度為2.75g/cm3～3.1g/cm3，氣孔率為3％～14％，平均氣孔尺寸為0.5μm～5μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高密度重結(jié)晶碳化硅構(gòu)件的制備方法，以一次燒結(jié)成型高氣孔率碳化硅陶瓷作為二次燒結(jié)成型的基體，并根據(jù)一次燒結(jié)的結(jié)果設(shè)計(jì)二次燒結(jié)成型配方，選用能夠滲透到氣孔中的碳化硅顆粒作為二次燒結(jié)成型的陶瓷原料，使其能夠充分填充到一次燒結(jié)的基體中，再結(jié)合燒結(jié)溫度設(shè)計(jì)，二次燒結(jié)后留下更細(xì)小的氣孔，極大的降低碳化硅構(gòu)件的氣孔率和氣孔尺寸，克服了重結(jié)晶法制備的碳化硅構(gòu)件氣孔率較高的缺點(diǎn)，獲得的碳化硅構(gòu)件的密度可達(dá)到2.75～3.1g/cm<supgt;3</supgt;。

技術(shù)研發(fā)人員：左開(kāi)慧,王紹隆,吳良輝,鐘強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京瀚深材料科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9