自蔓延燃烧合成β-SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷的方法技术

本发明专利技术提供了一种自蔓延燃烧合成β

【技术实现步骤摘要】
自蔓延燃烧合成
β
‑
SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷的方法


[0001]本专利技术涉及β
‑
SiC烧结制备陶瓷
，具体地，涉及一种自蔓延燃 烧合成β
‑
SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷的方法。

技术介绍

[0002]碳化硅(SiC)陶瓷材料是一种重要的结构陶瓷材料，因其耐高温、耐 磨损、热膨胀系数小、热导率大，同时具备优良的抗氧化性和耐腐蚀性， 可广泛应用于航空航天，发动机部件、核反应堆和磨具。例如，在石油化 工中被用于各种耐腐蚀管道；在汽车工业中用作密封环零部件；在机械工 业中制作各种耐磨、耐高温、耐腐蚀器件等。并且由于碳化硅在中子辐射 下的低活性，被科学家认为是核燃料的理想包壳材料。
[0003]SiC是一种仅次于金刚石的强共价键化合物，其硅碳键共价性：离子性 为7.3：1。SiC分子构型为Si
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C四面体，Si原子位于中心，四个C原子分 别围绕着Si原子。SiC的基本结构单元是共价键结合[SiC4]和[CSi4]配位四 面体，这些[SiC4]和[CSi4]的底部是以互相平行或反平行结合堆积的，这些 四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。 SiC有β和α两种晶体结构，在温度低于1600℃时，以β
‑
SiC的形式存在， 为面心立方晶系闪锌矿结构，密度为3.215g/cm3。当温度高于1600℃时， β
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SiC开始往α
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SiC转化，温度高于2100℃时完全转变为α
‑
SiC，有2H、4H、 6H、15R等多型体，α
‑
SiC的多型体密度大致为3.217g/cm，其中6H多型 体在工业中得到广泛应用。
[0004]β
‑
SiC的制备方法总体可分为三种，即固相法、液相法和气相法，其中 固相法又包含碳热还原法(即Acheson法)、硅碳直接反应法、机械合金 化法和自蔓延燃烧合成法；液相法包含溶胶凝胶法和聚合物分解法；气相 法包括化学气相沉积法(CVD法)、激光诱导化学气相沉积法(LICVD法) 和等离子体法。其中，液相法和气相法受实验条件和产量的限制不可能应 用于工业上大量生产，而固相法中的碳热还原法耗能高、污染大，机械合 金化法会引入杂质，硅碳直接反应法也需要高温和长时间来反应合成β
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SiC， 自蔓延燃烧合成(SHS)，在传统的SHS方案中，将固态粉末的反应混合 物一端点燃，然后将其全部点燃。高温燃烧波阵面在介质中传播，从而将 前驱体转化为所需的产物。SHS法的一些特征包括：1)反应时间短；2) 能源效率高；3)简单的技术设备；4)高反应速率和相对较快的冷却速度。 由于极高的燃烧温度“燃烧”了大部分杂质，产生了自净化效果。因此， 自蔓延燃烧合成β
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SiC粉技术是一种可以推向大规模工业化生产高品质、超 细β
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SiC粉体的一种低成本、节能环保的生产技术。
[0005]截止目前，用Ahceson法工艺生产的β
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SiC粉，以Prochazka提出的固 相烧结SiC的理论为基础，添加少量B、C为烧结助剂，无压烧结SiC陶瓷 的致密度可达97％以上，然而用自蔓延燃烧合成的β
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SiC粉烧结的SiC陶 瓷致密度仅达到86％。究其原因，一是SiC陶瓷的烧结驱动力来自于粉体 的表面能，自蔓延燃烧合成的β
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SiC粉体平均粒径大，比表面积小，阻碍了 SiC陶瓷的致密化，所以需要进一步的机械激活使得自蔓延燃烧合成的 β
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SiC粉的粒径下降，增加其表面能；二是自蔓延燃烧合成的β
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SiC粉的初 始纯度只有90％左右，即使
经过酸洗纯化也只能提升到94％左右，所以需 要研究针对自蔓延燃烧合成β
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SiC粉的酸洗纯化工艺，使得自蔓延燃烧合成 β
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SiC粉的纯度达到98％以上；三是以β
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SiC粉为原料，由于在高温下(>1950 (C)SiC粉体发生β相
→
α相的晶型转变，并伴有沿一维方向优先取向的 晶粒的异常长大，阻碍了试样的致密化，造成密度下降，所以要严格控制 烧结温度和保温时间，抑制晶粒过分长大，使其致密化。
[0006]综上来说，与传统的α
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SiC相比，自蔓延燃烧合成的β
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SiC微粉具有反 应时间短、纯度高等优点。但是，自蔓延燃烧合成法所制备出来的β
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SiC微 粉，粒径大、比表面积小、表面活性低，不满足无压固相烧结要求，很难 制备出高质量的陶瓷，因此需要对β
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SiC微粉进行活化等处理，提高表面活 化能，同时对烧结工艺进行研究，以拓展自蔓延燃烧合成的β
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SiC微粉在碳 化硅陶瓷材料领域的应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种自蔓延燃烧合成β
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SiC粉无压 烧结制备高密度陶瓷的方法，通过机械激活和酸洗纯化，提高表面活化能、 提高纯度，再通过控制烧结助剂C、B及控制烧结工艺，以期利用自蔓延燃 烧合成β
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SiC粉作为原料，制备获得致密的、力学性能优异的SiC陶瓷材料。
[0008]本专利技术提供了一种自蔓延燃烧合成β
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SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷 的方法，包括以下步骤：
[0009](1)机械激活：将β
‑
SiC原粉放入搅拌磨中，然后加入去离子水，并 加入四甲基氢氧化铵作为分散助剂，再加入氧化锆球作为研磨介质，研磨 24～72h进行机械激活，得到活性β
‑
SiC亚微米粉体；
[0010](2)酸洗纯化：将机械激活后的β
‑
SiC亚微米粉体，放入容器中，用 沸腾的蒸馏水将β
‑
SiC粉体打湿，在80
±
5℃下进行水浴至恒温，然后分一 次或两次加入酸液搅拌均匀，每次反应30～90min，加入的酸液为浓硫酸、 氢氟酸或浓盐酸中的一种或几种组成的混合酸，反应结束后冷却并排酸处 理，然后进行干燥，得到纯度大于98％的β
‑
SiC微粉；
[0011](3)球磨制浆：按照一定重量比例称取固态原料活性β
‑
SiC微粉，加 入B源B4C和C源酚醛树脂，并加入ZrO2球磨介质，共同加入球磨机中球 磨混合10～20min，再加入5～15wt％的分散剂，继续球磨混合30～60min得 到浆料；
[0012](4)干压成型：将浆料烘干并过筛，将过筛后的混合粉体置于液压成 型机中，在50～150MPa压力下干压成型形成初坯，然后再置于冷等静压机 中在150～250MPa压力下压制成坯体；
[0013](5)无压烧结：将坯体置于烧结炉中，抽真空、充本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自蔓延燃烧合成β
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SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)机械激活：将β
‑
SiC原粉放入搅拌磨中，然后加入去离子水，并加入四甲基氢氧化铵作为分散助剂，再加入氧化锆球作为研磨介质，研磨24～72h进行机械激活，得到活性β
‑
SiC亚微米粉体；(2)酸洗纯化：将机械激活后的β
‑
SiC亚微米粉体，放入容器中，用沸腾的蒸馏水将β
‑
SiC粉体打湿，在80
±
5℃下进行水浴至恒温，然后分一次或两次加入酸液搅拌均匀，每次反应30～90min，加入的酸液为浓硫酸、氢氟酸或浓盐酸中的一种或几种组成的混合酸，反应结束后冷却并排酸处理，然后进行干燥，得到纯度大于98％的β
‑
SiC微粉；(3)球磨制浆：按照一定重量比例称取固态原料活性β
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SiC微粉，加入B源B4C和C源酚醛树脂，并加入ZrO2球磨介质，共同加入球磨机中球磨混合10～20min，再加入5～15wt％的分散剂，继续球磨混合30～60min得到浆料；(4)干压成型：将浆料烘干并过筛，将过筛后的混合粉体置于液压成型机中，在50～150MPa压力下干压成型形成初坯，然后再置于冷等静压机中在150～250MPa压力下压制成坯体；(5)无压烧结：将坯体置于烧结炉中，抽真空、充入保护气体，然后以6℃/min的速率升温至700～900℃，保温预烧30min；再以8℃/min的速率升温至1950℃～2130℃，保温烧结30～120min后自然冷却至室温。2.如权利要求1所述的自蔓延燃烧合成β
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SiC粉无压烧结制备高密度陶瓷的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的β
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SiC原粉初始平均粒径为5.471μm，比表面积为6.34m2/g，纯度为90.4％，氧含量为2wt％的自蔓延燃烧合成的β
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SiC粉体。3.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆有军，林立群，李茂辉，张明君，刘乡，杨璐同，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：