複雜形狀碳化矽的消失模成型方法

2023-05-23 15:13:41

專利名稱：複雜形狀碳化矽的消失模成型方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷製件的成型工藝，特別是基於酚醛樹脂熱解的復 雜形狀碳化矽的消失模成型方法。
技術背景,碳化矽陶瓷具有獨特的高溫強度、優異的化學穩定性、超硬耐磨以及 膨脹係數低等特點，廣泛的應用於先進發動機系統、能量轉換裝置和其它 高溫結構材料的部件。但是，形狀複雜、淨成型的碳化矽器件的製備一直是關鍵技術。美國專利(3859421， 1975)首次提出以糠醇樹脂為碳質原料， 各類醇及醇的聚合物為造孔劑製備出多孔碳預製體，隨後對其進行滲矽制 備得到所謂的反應形成碳化矽。因為這種多孔碳以具有流動性的液態混和 物為起始原材料，理論上可以完成任何複雜形狀碳化矽製備的任務。中國 專利(CN 1609054A)公開了以光敏樹脂為碳質原料，結合光固化快速成 型技術，製得複雜形狀的碳化矽製件。這種方法存在一定的局限性，既光 敏樹脂的價格較高以及殘碳率較低。 發明內容本發明的目的在於提供一種無需脫模、成本低、 一次性成型製備方法， 複雜形狀碳化矽的消失模成型方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是1)固化成型根據製件實際要求，釆用聚乙烯泡沫加工模具，按6.25:6.25:1的重量比將酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在室溫下攪拌
30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，進行固化處理；2) 碳化在N2保護下進行碳化，由室溫升至600 80(TC保溫lh，升 溫速率為1. 5'C/min，完成保溫後隨爐冷卻至30CTC以下停止供&得到多 孔碳預製體；3) 滲矽在石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上， 然後將坩堝放入真空電阻爐中，抽真空並以8。C/min升溫速度加熱到 80(TC後停止抽真空，再通入N2氣，並以6'C/min升溫速度繼續加熱至 1550。C，保溫30 120min;4) 排矽保溫後再次抽真空，並升溫至155(TC 165(TC，保溫10 30min，冷卻後即製得碳化矽製件。本發明的酚醛樹脂採用2130#熱固性酚醛樹脂；固化處理為在50'C 下保溫2 3h，隨後由6(TC升至14(TC 180。C保溫16h，升溫速率為 1.5°C/h，自然冷卻即可。本發明以成品酚醛樹脂為碳質原料，以低成本的聚乙烯泡沫為模具， 先根據製件實際要求設計並加工模具，把酚醛樹脂混合物澆注到模具中， 通過固化成型，隨後經碳化，其模具在碳化過程中因高溫分解而自行去除， 得到孔結構均勻分布的多孔碳預製體，進一步製備出形狀複雜的碳化矽制 件。


圖1為實施例1中多孔碳預製體的顯微形貌圖；圖2為實施例1中碳化矽的光學顯微組織圖；圖3為實施例1中碳化矽的斷口形貌圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例l:固化成型根據製件實際要求，採用聚乙烯泡沫加工模具，按6. 25:6. 25:1的重量比將2130ft熱固性酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在 室溫下攪拌30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，在5(TC下保溫2h， 隨後由60。C升至14(TC保溫16h,升溫速率為1. 5°C/h，自然冷卻；碳化: 在N2保護下進行碳化，由室溫升至60(TC保溫lh，升溫速率為1. 5°C/min， 完成保溫後隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2得到多孔碳預製體；滲矽在 石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然後將坩堝放入 真空電阻爐中，抽真空並以8'C/min升溫速度加熱到80(TC後停止抽真空， 再通入N2氣，並以6'C/min升溫速度繼續加熱至1550'C，保溫30min;排 矽保溫後再次抽真空，並升溫至155(TC，保溫10min，冷卻後即製得密 度為3.03g/cm3的碳化矽製件。碳預製體的孔呈交聯互通狀，且孔的大小 在納米級別，參見圖1。製備得到的碳化矽製件較緻密，且碳化矽晶粒的 大小約l微米，參見圖2， 3。實施例2:固化成型根據製件實際要求，採用聚乙烯泡沫加工模具， 按6. 25:6.25:1的重量比將2130#熱固性酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在 室溫下攪拌30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，在50'C下保溫3h， 隨後由60。C升至16(TC保溫16h，升溫速率為1. 5'C/h，自然冷卻；碳化 在N2保護下進行碳化，由室溫升至75(TC保溫lh，升溫速率為1.5°C/min， 完成保溫後隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2得到多孔碳預製體；滲矽在 石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然後將坩堝放入 真空電阻爐中，抽真空並以8'C/min升溫速度加熱到8(XrC後停止抽真空， 再通入N2氣，並以6'C/min升溫速度繼續加熱至155(TC，保溫60min;排 矽保溫後再次抽真空，並升溫至162(TC，保溫25min，冷卻後即製得碳 化矽製件。實施例3:固化成型根據製件實際要求，採用聚乙烯泡沫加工模具，按6.25:6.25:1的重量比將2130#熱固性酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在 室溫下攪拌30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，在5(TC下保溫 2. 5h，隨後由6(TC升至15(TC保溫16h,升溫速率為1. 5°C/h，自然冷卻； 碳化在N2保護下進行碳化，由室溫升至800'C保溫lh，升溫速率為 1. 5°C/min，完成保溫後隨爐冷卻至30CTC以下停止供&得到多孔碳預製 體；滲矽在石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然 後將坩堝放入真空電阻爐中，抽真空並以8°C/min升溫速度加熱到800°C 後停止抽真空，再通入N2氣，並以6TVmin升溫速度繼續加熱至155(TC， 保溫100min;排矽保溫後再次抽真空，並升溫至1580。C，保溫15min， 冷卻後即製得碳化矽製件。實施例4:固化成型根據製件實際要求，釆用聚乙烯泡沫加工模具，按6. 25:6. 25:1的重量比將2130#熱固性酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在 室溫下攪拌30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，在5(TC下保溫3h， 隨後由60-C升至18(TC保溫16h，升溫速率為1.5。C/h，自然冷卻；碳化 在N2保護下進行碳化，由室溫升至650'C保溫lh，升溫速率為1.5°C/min， 完成保溫後隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2得到多孔碳預製體；滲矽在 石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然後將坩堝放入 真空電阻爐中，抽真空並以8°C/min升溫速度加熱到80(TC後停止抽真空， 再通入N2氣，並以6°C/min升溫速度繼續加熱至1550°C，保溫120min; 排矽保溫後再次抽真空，並升溫至1600。C，保溫20min，冷卻後即製得 碳化矽製件。
實施例5:固化成型根據製件實際要求，採用聚乙烯泡沫加工模具，按6. 25:6. 25:1的重量比將2130tt熱固性酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在 室溫下攪拌30min,把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，在5(TC下保溫2h， 隨後由60"C升至17(TC保溫16h，升溫速率為1. 5°C/h，自然冷卻；碳化 在N2保護下進行碳化，由室溫升至700'C保溫lh，升溫速率為1.5°C/min， 完成保溫後隨爐冷卻至30CTC以下停止供N2得到多孔碳預製體；滲矽在 石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然後將坩堝放入 真空電阻爐中，抽真空並以8'C/min升溫速度加熱到80(TC後停止抽真空， 再通入N2氣，並以6""C/min升溫速度繼續加熱至155(TC，保溫80min;排 矽保溫後再次抽真空，並升溫至165(TC，保溫30min，冷卻後即製得碳 化矽製件。
權利要求
1、複雜形狀碳化矽的消失模成型方法，其特徵在於包括下述步驟1)固化成型根據製件實際要求，採用聚乙烯泡沫加工模具，按6.25∶6.25∶1的重量比將酚醛樹脂、乙二醇和苯磺醯氯在室溫下攪拌30min，把酚醛樹脂的混和物澆注到模具中，進行固化處理；2)碳化在N2保護下進行碳化，由室溫升至600～800℃保溫1h，升溫速率為1.5℃/min，完成保溫後隨爐冷卻至300℃以下停止供N2得到多孔碳預製體；3)滲矽在石墨坩堝中放入工業矽粒，多孔碳預製體平置於矽粒上，然後將坩堝放入真空電阻爐中，抽真空並以8℃/min升溫速度加熱到800℃後停止抽真空，再通入N2氣，並以6℃/min升溫速度繼續加熱至1550℃，保溫30～120min；4)排矽保溫後再次抽真空，並升溫至1550℃～1650℃，保溫10～30min，冷卻後即製得碳化矽製件。
2、 權利要求1所述複雜形狀碳化矽的消失模成型方法，其特徵在於 所說的酚醛樹脂採用2130#熱固性酚酸樹脂。
3、 權利要求1所述複雜形狀碳化矽的消失模成型方法，其特徵在於: 所說的固化處理為在5CTC下保溫2 3h，隨後由6(TC升至140°C 180°C 保溫16h，升溫速率為1.5°C/h，自然冷卻即可。
全文摘要
本發明公開了一種複雜形狀碳化矽的消失模成型方法。首先根據製件實際要求，設計及加工聚乙烯泡沫模具，把酚醛樹脂混合物澆注到模具中，經固化成型及碳化製備得到一定形狀的多孔碳預製體。聚乙烯泡沫模具則在碳化過程中因高溫分解而自行去除。隨後對多孔碳預製體進行原位反應製備出複雜形狀的適於腐蝕、磨損、高溫環境使用的碳化矽製件。該方法有效的解決了碳化矽複雜形狀製件製備問題。具有低成本、一次性成型以及易工業化生產等特點。
文檔編號C04B35/565GK101209922SQ20071030770
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者喬冠軍, 徐順建, 李滌塵, 楊建鋒, 王紅潔, 王繼平, 高積強 申請人:西安交通大學