一種高韌性碳化矽陶瓷及其製備方法
2023-10-26 21:54:02
一種高韌性碳化矽陶瓷及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種高韌性碳化矽陶瓷及其製備方法，該高韌性碳化矽陶瓷由3-5％的增韌劑碳化鈦、1-4％的燒結助劑和餘量碳化矽以及不可避免的雜質組成，其中燒結助劑由質量百分比為1：(0.6-8)的碳和碳化硼組成。其製備方法是先將碳化矽，增韌劑碳化鈦，燒結助劑碳和碳化硼混合均勻放入球磨機中，加入水溶性樹脂和蒸餾水進行球磨，然後烘乾後加入到鋼模中壓製成型，成型後放入到真空爐內進行燒結，最後進行表面研磨加工後製得最終產品高韌性碳化矽陶瓷。本發明在碳化矽基體中加入了增韌劑碳化鈦，使碳化矽陶瓷材料的斷裂方式從沿晶斷裂為主變為以穿晶斷裂為主，提高了穿晶以及沿晶斷裂所需的能量，從而起到了增強抗折強度的作用。
【專利說明】一種高韌性碳化矽陶瓷及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陶瓷及其製備方法，尤其涉及一種高韌性碳化矽陶瓷及其製備方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發展，密封、裝甲工業等領域對材料的要求越來越苛刻，迫切需要開發一種新型的高性能材料。而碳化矽陶瓷在常溫下具有很高的強度和抗蠕變性，優良的抗氧化性和耐腐蝕性，而且碳化矽陶瓷具有極低的摩擦係數，抗磨損性能非常優異，具有廣闊的市場前景。
[0003]但是，碳化矽陶瓷脆性較大，斷裂韌性較低，常壓燒結的碳化矽陶瓷抗折強度一般在400MPa左右，難以滿足密封、裝甲工業等領域對高韌性、高強度的碳化矽陶瓷的需求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術中存在的上述問題，提出了一種高韌性、高抗折強度的碳化矽陶瓷。
[0005]本發明的目的可 通過下列技術方案來實現:一種高韌性碳化矽陶瓷，所述高韌性碳化矽陶瓷由以下質量百分比成分組成:增韌劑:3-5%，燒結助劑:1-4%，餘量為碳化矽以及不可避免的雜質。
[0006]由於碳化矽陶瓷脆性較大，斷裂韌性較低，常壓燒結的碳化矽陶瓷抗折強度只有400MPa左右，不足以滿足對碳化矽陶瓷有更高強度需求的領域使用。因此，本發明在碳化矽中加入了 3-5%的增韌劑，對碳化矽的韌性進行改性，從而提高碳化矽的抗折強度。但是，又因為碳化矽是強共價鍵化合物，而且在高溫下仍能保持很高的鍵合強度，它的自擴散係數很小，緻密化所必須的體積擴散及晶界擴散速度很小，同時晶界能與粉末表面能的比值比離子化合物和金屬要大得多，使得燒結驅動力較小。因此，本發明加入少量燒結助劑，在高溫燒結過程中提高表面能，促使產品燒結成緻密體。
[0007]作為優選，所述增韌劑為碳化鈦。碳化矽陶瓷基體材料的斷口大多為沿晶斷裂，而加入增韌劑碳化鈦後，碳化鈦均勻分布在碳化矽陶瓷基體晶粒內，部分位於晶界處，形成「晶內形」和「晶間形」混合分布。由於部分碳化鈦位於晶粒內，在晶粒內產生張應力，易於產生亞晶界，其斷裂方式大多為穿晶斷裂。由此可見，在碳化矽陶瓷基體中加入碳化鈦，通過碳化鈦顆粒的彌散，形成「晶內形」和「晶間形」混合形分布，使碳化矽陶瓷材料的斷裂方式從沿晶斷裂為主變為以穿晶斷裂為主，增強了晶界的強度，提高了穿晶以及沿晶斷裂所需的能量，從而起到了增強抗折強度的作用。此外，裂紋在碳化矽陶瓷基體中擴展時，顆粒產生的殘餘應力會改變裂紋的傳播途徑，使裂紋偏折。
[0008]作為優選，所述燒結助劑包括碳和碳化硼，所述碳、碳化硼的質量百分比為1:(0.6-8)。由於碳化矽中的高共價鍵性及低擴散性使其在沒有燒結助劑的情況下難以燒結。所以，本發明加入少量由碳和碳化硼混合而成的燒結助劑，在高溫燒結過程中提高粉體表面能促使燒結緻密。
[0009]作為優選，所述碳化矽粒徑為0.3-2 μ m,所述增韌劑碳化鈦粒徑為1_3 μ m,所述燒結助劑碳和碳化硼的粒徑為1-5 μ m。本發明選取的碳化矽、增韌劑和燒結助劑粒徑都是微米級的，因此，可以保證碳化矽陶瓷燒結後的晶粒度，有利於提高碳化矽陶瓷的體積密度和力學強度。
[0010]本發明的另一個目的在於提供上述高韌性碳化矽陶瓷的製備方法，所述製備方法包括以下步驟:
[0011]S1、按質量百分比稱取碳化矽，增韌劑碳化鈦，燒結助劑碳和碳化硼並混合均勻；
[0012]S2、將上述混合均勻的粉料放入球磨機中，加入1-6%的水溶性樹脂，80% -140%的蒸餾水進行球磨；
[0013]S3、用蒸汽乾燥箱將上述球磨好的粉料烘乾，烘乾後將粉料加入到鋼模中，加壓到150-250MPa/cm2壓製成型，壓制時間為1-1Os ；
[0014]S4、將上述壓製成型後的素坯放入到真空爐內燒結，燒結溫度為2100-2200°C，保溫時間為1-3小時；
[0015]S5、將上述燒結後的素坯進行表面研磨加工後製得最終產品高韌性碳化矽陶瓷。
[0016]作為優選，步驟S2中球磨的球料比為3:1，球磨時間為2h。
[0017]作為優選，步驟S3中壓制壓力為150_200MPa/cm2，壓制時間為2_5s。
[0018]作為優選，步驟S4中燒結溫度為2150°C，保溫時間為1_2小時。
[0019] 本發明高韌性碳化矽陶瓷的製備方法簡單，而且本發明嚴格控制球磨、壓製成型和燒結等過程中的參數條件，保證最終製得的碳化矽陶瓷產品的強度、抗蠕變性、抗氧化性、抗磨損性和耐腐蝕性等力學性能優良。
[0020]本發明具有以下優點:
[0021]1.本發明高韌性碳化矽陶瓷在碳化矽基體中，加入了 3-5%的增韌劑碳化鈦，通過碳化鈦顆粒的彌散，形成「晶內形」和「晶間形」混合形分布，使碳化矽陶瓷材料的斷裂方式從沿晶斷裂為主變為以穿晶斷裂為主，增強了晶界的強度，提高了穿晶以及沿晶斷裂所需的能量，從而起到了增強抗折強度的作用。
[0022]2.本發明高韌性碳化矽陶瓷還在基體中加入了由一定比例碳和碳化硼組成的燒結助劑，在高溫燒結過程中提高粉體表面能促使燒結成緻密體。
[0023]3.本發明高韌性碳化矽陶瓷原料粒徑小，燒結後可以保證碳化矽陶瓷的晶粒度，有利於提高碳化矽陶瓷的體積密度和力學強度。
[0024]4.本發明高韌性碳化矽陶瓷的製備方法簡單，通過嚴格控制製備過程中的條件參數，使最終製得的碳化矽陶瓷產品強度大、抗蠕變性、抗氧化性、抗磨損性和耐腐蝕性等力學性能優良。
【具體實施方式】
[0025]以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。
[0026]表1:本發明實施例1-4高韌性碳化矽陶瓷的
[0027]組成成分及其質量百分比[0028]
【權利要求】
1.一種高韌性碳化矽陶瓷，其特徵在於，所述高韌性碳化矽陶瓷由以下質量百分比成分組成:增韌劑:3-5%，燒結助劑:1-4%，餘量為碳化矽以及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的一種高韌性碳化矽陶瓷，其特徵在於，所述增韌劑為碳化鈦。
3.根據權利要求1所述的一種高韌性碳化矽陶瓷，其特徵在於，所述燒結助劑包括碳和碳化硼，所述碳、碳化硼的質量百分比為1: (0.6-8)。
4.根據權利要求1或2或3所述的一種高韌性碳化矽陶瓷，其特徵在於，所述碳化矽粒徑為0.3-2 μ m，所述增韌劑碳化鈦粒徑為1-3 μ m，所述燒結助劑碳和碳化硼的粒徑為1-5 μ m0
5.一種高韌性碳化矽陶瓷的製備方法，其特徵在於，所述製備方法包括以下步驟: 51、按質量百分比稱取碳化矽，增韌劑碳化鈦，燒結助劑碳和碳化硼並混合均勻； 52、將上述混合均勻的粉料放入球磨機中，加入1-6%的水溶性樹脂，80 % -140 %的蒸懼水進行球磨； 53、用蒸汽乾燥箱將上述球磨好的粉料烘乾，烘乾後將粉料加入到鋼模中，加壓到150-250MPa/cm2壓製成型，壓制時間為1-1Os ； 54、將上述壓製成型後的素坯放入到真空爐內燒結，燒結溫度為2100-2200°C，保溫時間為1-3小時； 55、將上述燒結後的素坯進行表面研磨加工後製得最終產品高韌性碳化矽陶瓷。
6.根據權利要求5所述的一種高韌性碳化矽陶瓷的製備方法，其特徵在於，步驟S2中球磨的球料比為3:1，球磨時間為2h。
7.根據權利要求5所述的一種高韌性碳化矽陶瓷的製備方法，其特徵在於，步驟S3中壓制壓力為150-200MPa/cm2，壓制時間為2_5s。
8.根據權利要求5所述的一種高韌性碳化矽陶瓷的製備方法，其特徵在於，步驟S4中燒結溫度為2150°C，保溫時間為1-2小時。
【文檔編號】C04B35/565GK104030686SQ201410175024
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】李友寶, 勵永平 申請人:寧波東聯密封件有限公司