一种固相烧结碳化硅制品及其制备方法技术

本申请涉及工程陶瓷材料领域，具体公开了一种固相烧结碳化硅制品及其制备方法。一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，包括如下步骤：原料研磨：将微米级碳化硅粉末与含硼烧结助剂混合并湿法研磨，得到浆料；喷雾造粒：向浆料中加入水溶性炭黑和粘结剂，搅拌均匀，经过喷雾造粒，得到碳化硅造粒粉体；混料；陈腐：将混料得到的湿粉经过陈腐，得到陈腐料；后处理：将陈腐料经过练泥、挤出、干燥、热处理即可。本申请的制备方法制备的碳化硅制品可用作换热管、辊棒、方梁、微反应管等，其具有制品烧结密度高、抗压强度大、韧性高的优点；另外，本申请的制备方法具有生产成本低、生产效率高的优点。生产效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种固相烧结碳化硅制品及其制备方法


[0001]本申请涉及工程陶瓷材料领域，更具体地说，它涉及一种固相烧结碳化硅制品及其制备方法。

技术介绍

[0002]工程陶瓷是指应用于工程
的各种陶瓷的总称，包括结构陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基复合材料。近年来，随着科技的进步以及工业的发展，工程材料以其耐高温性、耐化学腐蚀性、耐磨性、抗氧化性等性能特点，成为材料领域研究的热点。目前应用的比较广泛的工程陶瓷主要有氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷以及氧化锆陶瓷等。
[0003]其中，碳化硅陶瓷具有优异的高温强度以及耐腐蚀性，使其能够长期处于高温、高湿、高氧以及强酸强碱的环境下工作，广泛应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车等领域。由于碳化硅为强共价键结合，烧结时扩散速率低，使其很难在常压下烧结致密，因此目前多采用无压烧结技术来生产碳化硅陶瓷。无压烧结可以分为液相烧结和固相烧结，其中，固相烧结是以硼(或碳化硼)和碳为烧结助剂，通过固相扩散实现致密烧结；相较于液相烧结，由于固相烧结的烧结助剂用量少，且烧结过程中不产生液相，因此固相烧结的碳化硅陶瓷具有更好的耐高温强度，可在换热管上应用。
[0004]在固相烧结工艺中使用的碳源烧结助剂一般为酚醛树脂，酚醛树脂作为一种高分子材料，既能提供碳源，又能起到粘结剂的作用，但是在碳化硅制品的制备中需要进行脱粘处理，在脱粘处理的过程中，因酚醛树脂的存在会使尾气中含有部分酚类和醛类物质，产生环境污染问题，增加环保处理的成本。为了解决酚醛树脂的污染问题，也可以采用纳米级炭黑作为碳源，但是由于炭黑颗粒之间具有极强的聚集性，使其在固体粉末中难以分散，这又增加了加工的困难；并且炭黑的粘结性又不如酚醛树脂，导致胚体的成型性变差，制品的性能受到影响。
[0005]相关技术中，公开了一种碳化硅换热管的制备方法，其步骤包括配料、混合、练泥、挤出成型、干燥、脱粘和高温烧结；为了提高胚体内部的均匀性，减少压制过程中的裂纹、分层现象的出现，通常会在练泥和挤出成型之间增加陈腐工序，在练泥后，将泥料陈腐放置一段时间后，再对泥料进行挤出、干燥等工序，陈腐后的泥料具有更好的润湿程度，可以提高其成型性能，有利于后续的挤出成型。但是陈腐通常需要经过几十个小时甚至几天，这不仅使得生产周期延长，而且使得练泥、挤出成型、干燥等工序之间有较长的间隔，无法连续进行，不利于连续化生产的进行，影响生产效率。
[0006]此外，在碳化硅制品应用于换热管时，由于换热管长期在高温、高压的环境下使用，这就对其密度以及强度有更高的要求。为了获得高性能的碳化硅制品，另一相关技术将经过混料、陈腐、挤出成型、干燥后的坯体经过等静压成型处理后，再进行高温烧结，然而等静压成型设备成本高，不易自动化生产，且生产效率较低，增加等静压成型后会导致生产成本的进一步提高。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本申请提供一种固相烧结碳化硅制品及其制备方法。
[0008]第一方面，本申请提供一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，采用如下的技术方案：一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，包括如下步骤：S1、原料研磨：将微米级碳化硅粉末与含硼烧结助剂混合并湿法研磨，得到粒径为0.4
‑
0.8μm的浆料；S2、喷雾造粒：向浆料中加入水溶性炭黑和粘结剂，搅拌均匀，经过喷雾造粒，得到碳化硅造粒粉体；S3、混料：将碳化硅造粒粉体与塑化剂混合均匀后，加入润滑剂以及水，搅拌均匀后，得到湿粉；S4、陈腐：将湿粉经过陈腐，得到陈腐料；S5、后处理：将陈腐料经过练泥、挤出、干燥、热处理即可。
[0009]优选的，微米级的粒径为3
‑
10μm。
[0010]碳化硅粉体作为碳化硅制品的主原料，其纯度、颗粒细度影响着碳化硅陶瓷制品的性能。由于碳化硅的的金属杂质比较多，生产碳化硅粉末的厂家需要对其进行酸碱纯化处理、研磨、干燥，以得到亚微米级的碳化硅粉末成品；然后陶瓷制造商直接采购这种亚微米级的碳化硅粉末作为碳化硅陶瓷的主原料，使得成本较高。通过采用上述技术方案，本申请的碳化硅粉末选择粒径为3
‑
10μm的微米级碳化硅粉末，这种粒径的碳化硅曾大量应用于光伏行业硅片的切割，由于近年来光伏切割逐渐被金刚线切割取代，导致市场上存在大量过剩的粒径为3
‑
10μm的碳化硅粉末，因此相较于亚微米级的碳化硅，粒径为3
‑
10μm的碳化硅粉末的成本较低，可以降低主原料的成本。
[0011]本申请采用湿法研磨，在研磨的过程，将碳化硅与烧结助剂混合，一方面可以提高碳化硅粉末与烧结助剂的细度以及二者混合的均匀性，另一方面经过湿法研磨后得到的浆料可以直接用于后续的喷雾造粒，不需要单独将碳化硅粉末研磨后再干燥处理，简化了工序，降低粉体的处理成本；通过原料的选择以及工艺的配合，能够大幅度降低主原料的成本。
[0012]此外，传统的烧结助剂碳化硼的粒径较大、用量较高，会造成碳化硅制品的密度不足，对于碳化硅换热管来说，由于是在高压力的环境下使用，在这种情况下很容易出现断裂的问题，影响其使用性能；而本申请通过将其与碳化硅共同研磨，以降低烧结助剂碳化硼的细度，提高其活性，可以提高碳化硅制品的密度，从而提高其强度。
[0013]本申请的碳源选用炭黑代替传统的酚醛树脂碳源，不存在尾气处理问题，因此降低了环保处理的成本。由于酚醛树脂除了作为碳源外，其自身还会起到粘结剂的作用，因此本申请以炭黑为碳源时，通过添加粘结剂和塑化剂，以提高碳化硅材料的强度。相关技术中，是将碳化硅粉体与烧结助剂直接混合，但是由于炭黑颗粒之间具有极强的聚集性，使其在固体粉末中难以分散，因此，本申请在研磨后的浆料中加入水溶性炭黑，可以提高炭黑的分散性。
[0014]本申请的工序将得到的湿粉先经过陈腐后，再经过练泥、挤出、干燥、脱粘、烧结；区别于传统的先练泥，再陈腐、挤出、干燥等工序，调整了陈腐工序在工艺中的顺序。
[0015]在陶瓷生产中，练泥是为了排除空气，使得泥料组织更加均匀，有利于提高泥料的
可塑性和致密性；而陈腐的作用是为了使得坯体的内部均匀，以减少压制时的裂纹，经过陈腐后可以达到较高的润湿程度，提高泥料的成型性能；因此，相关技术一般在练泥后，再陈腐放置几十个小时后，再对泥料进行挤出、固化等工序。但是，专利技术人发现，泥料在练泥后进行陈腐时，泥料表面和内部干燥速度不一致，泥料表面容易硬化而出现硬颗粒；而本申请先对湿粉进行陈腐，湿粉的润湿性更好，泥料的表面不易硬化产生硬颗粒，可以提高泥料的均匀性以及塑性，有利于提高练泥工序中泥料的可塑性以及烧结时的致密度。此外，本申请直接先对湿粉进行陈腐后，再进行连续化的练泥、挤出、固化，缩短了后续工序中的间歇停顿，实现练泥、挤出、干燥工序的连续化生产，大大提高了生产效率，降低了生产成本。
[0016]优选的，所述含硼烧结助剂的用量为微米级碳化硅粉末重量的0.2
‑
0.5wt％；所述水溶性炭黑的用量为微米级碳化硅粉末重量的0.5
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、原料研磨：将微米级碳化硅粉末与含硼烧结助剂混合并湿法研磨，得到粒径为0.4
‑
0.8μm的浆料；S2、喷雾造粒：向浆料中加入水溶性炭黑和粘结剂，搅拌均匀，经过喷雾造粒，得到碳化硅造粒粉体；S3、混料：将碳化硅造粒粉体与塑化剂混合均匀后，加入润滑剂以及水，搅拌均匀后，得到湿粉；S4、陈腐：将湿粉经过陈腐，得到陈腐料；S5、后处理：将陈腐料经过练泥、挤出、干燥、热处理即可。2.根据权利要求1所述的一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，其特征在于，所述含硼烧结助剂的用量为微米级碳化硅粉末重量的0.2
‑
0.5wt%；所述水溶性炭黑的用量为微米级碳化硅粉末重量的0.5
‑
3.0wt%。3.根据权利要求1所述的一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，其特征在于，所述塑化剂由分子量为15
‑
20万的高分子量塑化剂和分子量为4000
‑
6000的低分子量塑化剂组成。4.根据权利要求1所述的一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，其特征在于，所述陈腐的温度为5
‑
10℃、湿度为40
‑
50%、时间为12
‑
24h。5.根据权利要求1所述的一种固相烧结碳化硅制品的制备方法，其特征在于，所述干燥包括一次干燥和二次干燥，所述一次干燥为远红外干燥，干燥温度为80
‑
100℃，物料传送速度为0.5
‑
1m/min。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫永杰，赵瑞康，
申请(专利权)人：南通三责精密陶瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：