一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法
2023-06-01 01:20:16 1
專利名稱：一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法
技術領域：
本發明涉及材料製備技術，進一步是指用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品。
背景技術：
目前再結晶碳化矽(R-SiC)製品的製備方法是將較粗的碳化矽顆粒與很細的碳 化矽微粉混合後，用注漿法成形，然後在真空感應燒結爐內於2300°C以上的高溫條件下，使 細顆粒碳化矽蒸發並在粗顆粒碳化矽的接觸頸部重新凝聚，從而使粗顆粒碳化矽相互結合 起來形成均勻一致的三維多孔網狀結構。由於再結晶碳化矽沒有其他結合相和雜質，純度 取決於碳化矽粉體的純度，可達99%，且都是結晶很好的高溫穩定型碳化矽，因而具有優 異的高溫力學性能，其抗彎強度隨溫度升高而線性增加，在1400°C的強度比室溫下提高約 20 %，且具有很好的熱傳導能力，是目前能在1600°C高溫空氣環境下長期使用的一種綜合 性能較理想的高溫結構材料。與其他陶瓷在燒結過程中產生收縮而緻密化的機理不同，再結晶碳化矽製品的燒 結機理是蒸發-凝聚機制，燒結過程沒有收縮，因而最終製品的密度取決於燒結前生坯的 顆粒堆積密度。儘管目前已對再結晶碳化矽製品的顆粒級配和成形方法進行了大量研究， 以求獲得最大的顆粒堆積密度，但再結晶碳化矽製品的最終密度仍無法突破2. 75g/cm3, 約為碳化矽材料理論密度3. 215g/cm3的85%，即目前最好的再結晶碳化矽製品還存在有 15%的氣孔，且這些氣孔是相互連通的，開口氣孔率在14%以上。這些氣孔的存在，一方面 制約了再結晶碳化矽製品的強度，使得再結晶碳化矽製品的強度還不及熱壓燒結的緻密碳 化矽製品的30% ；另一方面，由於這些氣孔是相互連通的，為空氣中的氧深入到再結晶碳化 矽製品內部在高溫下發生氧化提供了便利的通道，使再結晶碳化矽製品在高溫下的氧化較 為突出，嚴重影響了再結晶碳化矽製品的抗熱震性和使用壽命。因此，提高再結晶碳化矽制 品的密度，特別是將降低製品表面的氣孔率，阻隔氧氣進入再結晶碳化矽製品內部的通道， 是提高再結晶碳化矽製品的強度和使用壽命的有效途徑。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的缺陷，提出一種用浸漬裂解法 製備高密度再結晶碳化矽製品的方法，能有效提高再結晶碳化矽製品的密度，特別是在整 體密度提高的同時，能很好地封閉再結晶碳化矽製品的表面氣孔，以隔斷氧氣進入製品內 部發生氧化的通道，從而最大限度地提高再結晶碳化矽製品的室溫和高溫強度，增強制品 的高溫抗氧化能力，提高再結晶碳化矽製品的使用壽命，擴大應用範圍。本發明的技術方案為，所述一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方 法包括以下步驟(1)將密度為2. 45g/cm3 2. 70g/cm3的普通再結晶碳化矽製品清洗乾淨，並在 100°C 120°C下乾燥；
(2)將分子量為1200 3000的聚碳矽烷溶解於二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為0. 5微米 2微米的碳化矽微粉，配製成含碳化矽微粉、聚碳矽烷和二甲苯的浸漬漿料， 其質量分數為碳化矽微粉 10 50份，聚碳矽烷 20 50份，二甲苯 50 75份；(3)將經步驟(1)處理的再結晶碳化矽製品置於真空浸漬室內，啟動真空泵，待真空室內的壓力小於IOPa時，將浸漬漿料吸入真空室內，使溶液完全浸沒再結晶碳化矽制 品，根據產品厚度不同，每次浸漬時間為15分鐘 60分鐘；(4)將浸漬後的再結晶碳化矽製品取出，在60°C 90°C下乾燥，即完成一個浸漬 周期；(5)根據製品的氣孔率和密度要求，重複步驟(3)和步驟(4)；每重複一次步驟 (3)和步驟(4)為1個浸漬周期，重複2個至6個浸漬周期，得浸漬再結晶碳化矽製品；(6)將浸漬再結晶碳化矽製品置於真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5°C IO0C的速率升溫至700°C 800°C，保持1小時 2小時，使聚碳矽烷裂解；待聚碳矽烷裂解 完成後，通入氬氣至大氣壓力，再以每分鐘5°C 10°C的速率升溫至1400°C 2400°C，得到 高密度再結晶碳化矽製品。所述高密度再結晶碳化矽製品的體積密度為2. 85 2. 95g/cm3，其開口氣孔率為 3 5%，室溫抗彎強度為110 130MPa，1400°C的高溫抗彎強度為130 150MPa。以下對本發明做出進一步說明。本發明的技術貢獻是，在普通再結晶碳化矽製品的基礎上，通過多次真空浸漬含 碳化矽微粉和聚碳矽烷的漿料，使普通再結晶碳化矽製品中的開口氣孔大部分被填充。聚 碳矽烷在700°C 800°C裂解為非晶矽碳化合物，在1200°C以上形成碳化矽結晶。由於填充 到再結晶碳化矽氣孔中的最終產物都是碳化矽，因此，保持了再結晶碳化矽高純度的特點， 不僅有利於再結晶碳化矽製品室溫強度的提高，而且同樣能提高製品的高溫強度和在高溫 下的抗氧化能力，從而可提高再結晶碳化矽製品的使用壽命，擴大其作為高溫結構材料的 應用範圍。用本發明製備的高密度再結晶碳化矽製品與普通再結晶碳化矽製品相比，首先是 製品的體積密度可在原有基礎上提高8% 15%，即從普通再結晶碳化矽製品的2. 45g/ cm3 2. 70g/cm3提高到2. 85g/cm3 2. 95g/cm3，開口氣孔率從15% 20%降低到3%~ 5% ；其次，用本發明製備的高密度再結晶碳化矽製品的室溫抗彎強度由原來的60MPa 90MPa提高到IlOMPa 130MPa，提高幅度為45 % 80 % ；1400°C的高溫抗彎強度由 75MPa IlOMPa提高到125MPa 150MPa，提高幅度為36% 67% ；第三，因高密度再結晶 碳化矽製品的開口氣孔率大幅度降低，其在1400°C的等溫氧化增重僅為普通再結晶碳化矽 的20% 35%，在1300°C 1500°C溫度區間相同條件下的使用壽命延長30% 50%。由以上可知，本發明為一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法， 該方法在顯著提高普通再結晶碳化矽製品體積密度的同時，保持了再結晶碳化矽製品高純 度的特點，因而不僅大幅提高了再結晶碳化矽製品的室溫強度，而且也顯著提高了製品的 高溫強度和在高溫下的抗氧化能力，從而延長了再結晶碳化矽製品的使用壽命，可望擴大其作為高溫結構材料的應用範圍。
具體實施例方式實施例1 所述用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法是(1)將密度為2. 5g/cm3的普通再結晶碳化矽製品清洗乾淨，並在100°C下乾燥；(2)將分子量為1400 1800的聚碳矽烷溶解於二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為1微米的碳化矽微粉，配製成含碳化矽微粉、聚碳矽烷和二甲苯的浸漬漿料，其質量分數 為碳化矽微粉50份，
聚碳矽烷 25份，二甲苯75 份；(3)將經步驟(1)處理的普通再結晶碳化矽製品置於真空浸漬室內，啟動真空泵， 待真空室內的壓力小於IOPa時，將浸漬漿料吸入真空室內，使溶液完全浸沒再結晶碳化矽 製品，每次浸漬時間為60分鐘；(4)將浸漬後的再結晶碳化矽製品取出，在90°C下乾燥。(5)重複步驟(3)和步驟(4)，再重複步驟(3)和步驟(4)，得浸漬再結晶碳化矽制
P
m ；(6)將浸漬再結晶碳化矽製品置於真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5°C的 速率升溫至700°C，使聚碳矽烷裂解，在700 800°C間保持2小時，然後通入氬氣至大氣壓 力，再以每分鐘6°C的速率升溫至1500°C，保溫2小時，得到體積密度為2. 87g/cm3的高密 度再結晶碳化矽製品，其開口氣孔率為4. 5%，室溫抗彎強度達到115MPa，1400°C的高溫抗 彎強度為135MPa。實施例2 所述用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法是(1)將密度為2. 65g/cm3的普通再結晶碳化矽製品清洗乾淨，並在110°C下乾燥；(2)將分子量為1400 2000的聚碳矽烷溶解於二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為1. 5微米的碳化矽微粉，配製成含碳化矽微粉、聚碳矽烷和二甲苯的浸漬漿料，其質量分 數為碳化矽微粉25份，聚碳矽烷35份，二甲苯 60 份；(3)將經步驟(1)處理的普通再結晶碳化矽製品置於真空浸漬室內，啟動真空泵， 待真空室內的壓力小於IOPa時，將浸漬漿料吸入真空室內，使溶液完全浸沒再結晶碳化矽 製品，每次浸漬時間為30分鐘；(4)將浸漬後的再結晶碳化矽製品取出，在80°C下乾燥；(5)重複步驟(3)和步驟(4)，共進行3次該重複，得浸漬再結晶碳化矽製品；(6)將浸漬再結晶碳化矽製品置於真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘8°C的 速率升溫至700°C，使聚碳矽烷裂解，在700 800°C間保持1. 5小時，然後通入氬氣至大氣 壓力，再以每分鐘8°C的速率升溫至2200°C，保溫1. 5小時，得到體積密度為2. 92g/cm3的 高密度再結晶碳化矽製品，其開口氣孔率為3. 5%，室溫抗彎強度達到125MPa，1400°C的高溫抗彎強度為140MPa。實施例3 所述用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法是(1)將密度為2. 72g/cm3的普通再結晶碳化矽製品清洗乾淨，並在120°C下乾燥。(2)將分子量為2000 3000的聚碳矽烷溶解於二甲苯溶液中，再加入平均粒徑 為0. 5微米的碳化矽微粉，配製成含碳化矽微粉、聚碳矽烷和二甲苯的浸漬漿料，其質量分 數為碳化矽微粉10份，聚碳矽烷 45份，二甲苯55 份；(3)將經步驟(1)處理的普通再結晶碳化矽製品置於真空浸漬室內，啟動真空泵， 待真空室內的壓力小於IOPa時，將浸漬漿料吸入真空室內，使溶液完全浸沒再結晶碳化矽 製品，每次浸漬時間為15分鐘。(4)將浸漬後的再結晶碳化矽製品取出，在80°C下乾燥。(5)重複步驟(3)和步驟(4)，共進行5次該重複，得浸漬再結晶碳化矽製品；(6)將浸漬再結晶碳化矽製品置於真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘10°C的 速率升溫至700°C，使聚碳矽烷裂解，在700 800°C間保持1小時，然後通入氬氣至大氣壓 力，再以每分鐘10°C的速率升溫至2350°C，保溫2小時，得到體積密度為2. 95g/cm3的高密 度再結晶碳化矽製品，其開口氣孔率為3%，室溫抗彎強度達到130MPa，140(TC的高溫抗彎 強度為150MPa。
權利要求
一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法，包括以下步驟(1)將密度為2.45g/cm3～2.70g/cm3的普通再結晶碳化矽製品清洗乾淨，並在100℃～120℃下乾燥；(2)將分子量為1200～3000的聚碳矽烷溶解於二甲苯溶液中，再加入平均粒徑為0.5微米～2微米的碳化矽微粉，配製成含碳化矽微粉、聚碳矽烷和二甲苯的浸漬漿料，其質量分數為碳化矽微粉10～50份，聚碳矽烷 20～50份，二甲苯50～75份；(3)將經步驟(1)處理的再結晶碳化矽製品置於真空浸漬室內，啟動真空泵，待真空室內的壓力小於10Pa時，將浸漬漿料吸入真空室內，使溶液完全浸沒再結晶碳化矽製品，根據產品厚度不同，每次浸漬時間為15分鐘～60分鐘；(4)將浸漬後的再結晶碳化矽製品取出，在60℃～90℃下乾燥，即完成一個浸漬周期；(5)根據製品的氣孔率和密度要求，重複步驟(3)和步驟(4)；每重複一次步驟(3)和步驟(4)為1個浸漬周期，重複2個至6個浸漬周期，得浸漬再結晶碳化矽製品；(6)將浸漬再結晶碳化矽製品置於真空氣氛爐中，在真空條件下以每分鐘5℃～10℃的速率升溫至700℃～800℃，保持1小時～2小時，使聚碳矽烷裂解；待聚碳矽烷裂解完成後，通入氬氣至大氣壓力，再以每分鐘5℃～10℃的速率升溫至1400℃～2400℃，得到高密度再結晶碳化矽製品。
2.根據權利要求1所述用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法，其特徵 是，所述高密度再結晶碳化矽製品的體積密度為2. 85 2. 95g/cm3，其開口氣孔率為3 5%，室溫抗彎強度為110 130MPa，1400°C的高溫抗彎強度為130 150MPa。
全文摘要
本發明公開了一種用浸漬裂解法製備高密度再結晶碳化矽製品的方法。它通過多次真空浸漬含碳化矽微粉和聚碳矽烷的漿料，使普通再結晶碳化矽製品的開口氣孔大部分被填充。聚碳矽烷在高溫下裂解並形成碳化矽結晶，保持了再結晶碳化矽製品高純度的特點。用該方法製備的高密度再結晶碳化矽製品的體積密度為2.85～2.95g/cm3，開口氣孔率3～5％，室溫抗彎強度為110～130MPa，1400℃的高溫抗彎強度為130～150MPa；還顯著提高了製品的高溫抗氧化能力，延長了使用壽命，可望擴大其作為高溫結構材料的應用範圍。
文檔編號C04B35/565GK101823884SQ20101011472
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者肖漢寧, 郭文明, 高朋召 申請人:湖南大學