專利名稱：一種含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法
一種含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法本發(fā)明涉及陶瓷制造方法，是關于碳化硅陶瓷制造方法，特別是關于一種 含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法。碳化硅陶瓷材料具有高溫強度大、高溫抗氧化性強、耐磨損性能好、熱穩(wěn) 定性佳、熱膨脹系數(shù)小、熱導率大、硬度高、抗熱震和耐化學腐蝕等優(yōu)良特性， 在汽車、機械化工、環(huán)境保護、空間技術、信息電子、能源等領域有著日益廣 泛的應用，已經成為一種在很多工業(yè)領域性能優(yōu)異的其他材料不可替代的結構 陶瓷。機械設備中的動密封是通過兩個密封端面材料的旋轉滑動而進行的，作為 密封端面材料，要求硬度高，具有耐磨損性。碳化硅陶瓷的硬度相當高且摩擦 系數(shù)小，故碳化硅陶瓷作為機械密封端面材料可獲得其它材料所無法達到的滑 動特性。另一方面，兩個端面密封材料在旋轉運動過程中由于摩擦會產生一定 的熱量，從而使密封端面的局部溫度升高，因此端面材料還必須能夠耐受一定 的溫度。為了避免端面密封材料在旋轉滑動過程中產生熱應變和熱裂，要求端 面材料的導熱系數(shù)高、抗熱震性好。目前，碳化硅陶瓷已經在各類機械密封中 獲得大量的應用，并為機械設備的省力和節(jié)能做出了很大的貢獻，顯示出其他 材料所無法比擬的優(yōu)越性。碳化硅陶瓷在機械工業(yè)中還被成功地用作各種軸承、 切削刀具。航空航天、原子能工業(yè)等需要耐受超高溫度的場合如核裂變和核聚變反應堆中需要的可承受2000度左右高溫的耐熱材料；火箭和航天飛行器表面用于耐 受與大氣劇烈摩擦中產生的高達數(shù)千K溫度的隔熱瓦；火箭發(fā)動機燃燒室喉襯和 內襯材料，燃氣渦輪葉片；高溫爐的頂板、支架，以及高溫實驗用的卡具等高溫構件也普遍釆用碳化硅陶瓷構件。碳化硅陶瓷在石油化學工業(yè)中還被廣泛地 用作各種耐腐蝕用容器和管道。要進一步提高碳化硅陶瓷的性能，如何解決脆性問題，是一個關注的焦點。 脆性問題是各類陶瓷面臨的共同的問題。中國天津大學高溫結構陶瓷及工程陶瓷加工技術教育部重點實驗室的周振君等，發(fā)表于"硅酸鹽通報"2003年第3 期P57-61的題為"高可靠性結構陶瓷的增韌研究進展"，以及，山東大學的郝 春成等，發(fā)表于"材料導報"2002年2月第16巻第2期p28-30的題為"顆粒 增韌陶瓷的研究進展"，以及，中國科學院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷與超微 結構國家重點實驗室的郭景坤，發(fā)表于"復旦學報(自然科學版)"2003年12 月第42巻第6期p822-827的題為"關于陶瓷材料的脆性問題"，以及，山東大 學機械工程學院先進射流工程技術研究中心的劉含蓮等，發(fā)表于"粉末冶金技 術"2004年4月第22巻第2期p98-103的題為"納米復合陶瓷材料的增韌補強 機理研究進展"等論文中，對陶瓷增韌問題的理論和實踐有詳盡的介紹。陶瓷的韌化方式主要有相變增韌、纖維(晶須)增韌、顆粒增韌以及復合增 韌。其中，顆粒增韌是陶瓷增韌最簡單的一種方法，它具有同時提高強度和韌 性等許多優(yōu)點。影響第二相顆粒復合材料增韌效果的主要因素為基體與第二相 顆粒的彈性模量E、熱膨脹系數(shù)a及兩相的化學相容性。其中化學相容性是復 合的前提，兩相間不能存在過多的化學反應，同時又必須具有合適的界面綜合 強度。利用熱膨脹系數(shù)a的失配，從而在第二相顆粒及周圍基體內部產生殘余 應力場，是復相陶瓷增韌補強的主要根源。假設第二相顆粒與基體之間不發(fā)生 化學反應，如果第二相顆粒與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的失配，即 △ a : a p- a (p、 m表示顆粒和基體)，當△ a >0時，第二相顆粒處于拉應力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)，切向處于壓縮狀態(tài)，這時裂紋傾向于繞 過顆粒繼續(xù)擴展；當A a <0時，第二相顆粒處于壓應力狀態(tài)，切向受到拉應 力，這時裂紋傾向于在顆粒處釘扎或穿過顆粒。微裂紋的出現(xiàn)可以吸收能量從 而達到增韌的目的，微裂紋增韌因素之一是裂紋偏轉，裂紋偏轉是一種裂紋尖 端效應，是指裂紋擴展過程中當裂紋尖端遇到偏轉物(顆粒、纖維、晶須、界面 等)時所發(fā)生的傾斜和偏轉；微裂紋增韌因素之二是裂紋橋聯(lián)，橋聯(lián)物(顆粒、 纖維、晶須等)聯(lián)接靠近橋聯(lián)物的兩個裂紋的兩個表面并提供一個使兩個裂紋面 相互靠近的應力，即閉合應力，這樣導致應力強度因子隨裂紋擴展而增加。當 裂紋擴展遇到橋聯(lián)劑時，橋聯(lián)物有可能穿晶破壞，也可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂 紋繞過橋聯(lián)物沿晶界發(fā)展并形成摩擦橋。簡當?shù)卣f，第二相異質相顆粒的引入， 將帶來大量的微裂紋，大量的顯性或隱性微裂紋有助于耗散或化解或吸收外來 的破壞性張應力。此外，在采用晶須進行增靭時，還存在拔出效應,拔出效應也 是一種有利于增韌的因素。當引入的第二相異質相顆粒為納米顆粒時，還有利 于抑制陶瓷基材晶體顆粒的長大，燒成陶瓷中陶瓷基材晶體顆粒的微小化也是 一個重要的增韌因素，從斷裂韌性值與顯微結構觀察結果來看，樣品微觀呈納 米級細微組織，則宏觀表現(xiàn)出最高的斷裂韌性，可以認為，顆粒的細化使得組 織結構更加均勻，減小了應力集中及顯微裂紋的尺寸，同時，顆粒的細化也使 顯微裂紋數(shù)量增加，也就是說，微細的晶粒結構會導致晶界體積分數(shù)增加，在 該情形下，陶瓷斷裂過程中生成的耗散性新裂紋表面積增大，陶瓷斷裂前的過 程中需要吸收的外界能量因而大幅度增加，宏觀上表現(xiàn)為陶瓷斷裂韌性提高。采用片狀晶體顆粒對陶瓷材料進行增韌，也是一條有效的陶瓷增韌途徑。 中國青島理工大學的李紹純、戴長虹在發(fā)表于"硅酸鹽通報"2004年第6期 p63-65的題為"碳化硅顆粒、晶須、晶片增韌陶瓷復合材料的研究現(xiàn)狀" 一文 中，對碳化硅顆粒、晶須、晶片應用于非碳化硅基材增韌的情況，有一個詳細
的介紹，該文涉及非碳化硅基材的增韌技術，例如碳化硅顆粒、碳化硅晶須、 碳化硅晶片用于(Ba0 - A1203 - Si02)玻璃陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷 的增韌。其中，碳化硅晶片的增韌機理經研究被認為是緣于裂紋橋連機制、裂 紋偏轉機制和晶片拔出機制。在碳化硅陶瓷體系中，目前較多報道的是采用碳化硅晶須進行增韌，以及, 采用炭纖維進行增韌。碳化硅晶須增韌技術方案例如田杰謨等發(fā)明(設計)， 清華大學申請，申請?zhí)枮镃N91101684. 8的專利申請案"晶須增韌強化碳陶瓷復 合材料"；以及，阿歷山大* J *派齊克發(fā)明(設計)，唐化學原料公司申請， 申請?zhí)枮镃N90110427. 2的專利申請案"碳化硅晶須增強陶瓷復合材料及其制造 方法"；以及，成來飛、張立同、徐永東、劉永勝、李鎮(zhèn)、王曉明等發(fā)明(設計)， 中國西北工業(yè)大學申請，申請?zhí)枮镃N200410026337. 6的專利申請案"一種晶須 和顆粒增韌陶瓷基復合材料制備方法"。炭纖維增韌技術方案例如耿浩然等發(fā) 明(設計)，濟南大學申請，申請?zhí)枮镃N03138926. 0的專利申請案"一種制備 碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置及工藝"。引入碳化硅晶須或炭纖維進行增韌，確能使碳化硅陶瓷韌性大幅度提高， 但是，碳化硅晶須制備成本較高，帶來整個增韌陶瓷成品的生產成本上升，此 外，長徑比很高的碳化硅晶須以及炭纖維總的說來較難與其它碳化硅陶瓷生產 原料混合均勻，這在一定程度上影響了增韌碳化硅陶瓷成品的品質均勻性。本發(fā)明的目的，是提供一種新的增韌方案，本發(fā)明的目的是利用炭纖維的 增韌強勢，在結合使用炭纖維的同時，引入另一些適當?shù)牧畠r的增初物質，與 炭纖維一起對碳化硅陶瓷進行組合增韌，以期減小對于相對難于分散的炭纖維 的依賴，并弱化混料不均可能帶來的負面影響。這種解決方案要盡可能兼顧上 文述及的各種有益的增韌效應，所述另一些適當?shù)牧畠r的增韌物質應當盡可能
是容易與其它碳化硅陶瓷生產原料均勻混合的物質。本發(fā)明的目的是通過如下的技術方案來達到，該技術方案是一種含炭纖維 的碳化硅陶瓷組合物制造方法，該制造方法的主要原料是碳化硅粉、燒結助劑 、增韌料以及結合劑，經混合、成型、固化、高溫燒結等主要工藝步驟，形成 碳化硅陶瓷產品，原料中含有的增韌料是為增加碳化硅陶瓷的韌性而加入的物 料，所述高溫燒結工藝步驟的燒結方式是無壓固相燒結或無壓液相燒結，其特 征在于，所采用的增韌料是由棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒以及炭纖維 三種增韌物質組成，所述棒狀氧化鋁顆粒是顆粒形貌呈棒狀的氧化鋁粉，所述 片狀氧化鋁顆粒是顆粒形貌呈片狀的氧化鋁粉，以及，每一種所述增韌物質的使用量(重量)與所述增韌料整體的使用量(重量)的比例值介于0.1與0.8 之間。所述棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒以及炭纖維的使用量均不為零。 所述無壓固相燒結以及無壓液相燒結的技術含義在碳化硅陶瓷生產領域是公知 的。所述燒結助劑例如C-B、 C-稀土類金屬化合物、A1N+Y203、 B、 BN、 A14C3-B4C、 A18B4C7、 A1A+Y203、 Al4SiC4、 Al-C。所述結合劑是用來幫助坯料定型的物質， 例如PVB (酚醛樹酯)、PVA (聚乙烯醇)。用于生產碳化硅陶瓷的原料還可包 括增塑劑，以及，潤滑劑。所述增塑劑用于降低成型難度，所述增塑劑例如甘 油。所述潤滑劑用于降低脫模難度，所述潤滑劑例如油酸。生產過程中還可以 含有其它一些工藝步驟，例如，物料干燥；粉料造粒；對固化后的坯料進行機 械切削粗加工；對經高溫燒結后的坯陶進行機械精磨加工等。所述混合工藝步 驟可以采用一般混合工藝。所述成型工藝步驟可以采用模壓成型工藝或擠出成 型工藝。所述固化工藝步驟是通過在IO(TC - 300'C加溫使所述結合劑發(fā)揮作用 的工藝步驟。所述高溫燒結工藝步驟是在1700°C - 2100°C進行熱處理的工藝 步驟。
關于棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒的制備技術或定制產品，中國武 漢大學高新技術產業(yè)發(fā)展部、武漢大學生產力促進中心可以提供。其中，所述 片狀氧化鋁顆粒(也就是片狀氧化鋁粉)的制備方法還可以在現(xiàn)有技術中找到， 所述現(xiàn)有技術例如(l)發(fā)明人是塞爾斯R *錫伯特、愛特華L '格拉文、Jr，申請人是圣戈本/諾頓工業(yè)塘瓷有限公司，申請?zhí)柺荂N94100796.0,題為-"片狀氧化鋁"的發(fā)明專利申請案.(2)發(fā)明人是新田勝久、陳明壽、菅 原淳，申請人是默克專利股份有限公司，申請?zhí)柺荂N96112590.X，題為"薄片狀氧化鋁和珠光顏料及其制造方法"的發(fā)明專利申請案。此外，中國浙江省某企業(yè)可大量供應現(xiàn)貨(此物本來主要是用作珠光顏料的基片)。此外， 中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院也可以提供多種特殊形貌氧化鋁顆粒的制備 技術。所述碳化硅陶瓷制造方法中的燒結工藝可以是無壓固相燒結工藝，也可以 是無壓液相燒結工藝。有多種燒結助劑可供選擇，在采用無壓液相燒結工藝時，可供選擇的燒結助劑方案之一是氧化釔加氧化鋁。在采用無壓液相燒結工藝，并且用氧化釔加氧化鋁的組合作為燒結助劑的 情形下，用作燒結助劑的那部分氧化鋁原料當然也可以是采用所述棒狀氧化鋁 顆粒與所述片狀氧化鋁顆粒的組合，以及，每一種所述氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比例值介于0.1與0.9之間。每一種所述氧化鋁顆粒的使用量均不為零。也就是說，在此方案中，作為原料之一加入的所述氧化鋁顆粒的一部分，在高溫燒結步驟，即在1700°C - 2100 °C溫區(qū)進行熱處理的工藝步驟中，與氧化釔反應生成熔融狀的釔鋁石榴石熔 液，而剩余部分的未反應的所述氧化鋁顆粒成為增韌物質滯留在碳化硅陶瓷內， 由于所述氧化鋁顆粒在此方案中擔負雙重角色，它與氧化釔的加料配比(鋁與
釔的元素摩爾比)當然要超過釔鋁石榴石化學式中的鋁與釔的元素摩爾比。所述碳化硅陶瓷制造方法的原料中還可以含有鎂元素。所述鎂元素在原料 中的加入形態(tài)例如氧化鎂、硝酸鎂、碳酸鎂、草酸鎂。鎂元素的引入有助于 抑制碳化硅晶粒的長大。如前文所述，碳化硅晶粒的細化有助于增韌。無論所述原料中是否含有鎂元素，所述原料中也允許含有鑭元素。所述鑭 元素在原料中的加入形態(tài)例如氧化鑭、硝酸鑭、碳酸鑭、草酸鑭。鑭元素的 加入也有利于抑制碳化硅晶粒長大。當采用無壓液相燒結工藝，同時，以氧化釔加氧化鋁的組合作為燒結助劑， 并且，用作燒結助劑的那部分氧化鋁原料也是采用所述棒狀氧化鋁顆粒與所述 片狀氧化鋁顆粒的組合，前文已述及，在該情形下，由于所述氧化鋁顆粒在此 方案中擔負雙重角色，它與氧化釔的加料配比(鋁與釔的元素摩爾比)當然要 超過釔鋁石榴石化學式中的鋁與釔的元素摩爾比。該種方案的進一步的特征是， 原料混合工序包括以下工藝步驟a:將所述棒狀氧化鋁顆粒以及所述片狀氧化 鋁顆粒與氧化釔混合，進行球磨，形成雙功能預制料，在所述雙功能預制料中， 鋁元素與釔元素的混合摩爾比大于七比三。b:將所述雙功能預制料與碳化硅粉 以及炭纖維以及結合劑等進行混合。要解釋的是，釔鋁石榴石化學式中的鋁與 釔的元素摩爾比是5比3，若期望有剩余的所述氧化鋁顆粒用于增韌，則原料中 鋁元素與釔元素的恰當?shù)幕旌夏柋葢敶笥谄弑热?。該工藝方案就是將原料混合工序分成兩段，其中，步驟a，也就是將所述棒狀氧化鋁顆粒以及所述片狀氧化鋁顆粒與氧化釔混合，進行球磨，形成所述雙功能預制料的步驟，其作用， 是利用機械化學法使一部分的所述氧化鋁顆粒與氧化釔發(fā)生一定程度上的反 應，形成一定量的釔鋁石榴石前驅體。 一定量的釔鋁石榴石前驅體的生成有利 于燒結。所述雙功能預制料中同時含有用于增韌的過量的所述棒狀氧化鋁顆粒
以及所述片狀氧化鋁顆粒。在將所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等進行混合的工 藝步驟中，其混合方式可以采用球磨方式。雖然物料中包含相對難于混合的炭 纖維，球磨混合方式對于達成較好的混合效果是有益的。所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等的混合方式，也可 以采用機械攪拌的方式，其操作是加入液體形成漿狀物料，并對所述漿狀物料 施加機械攪拌。所述液體例如水、乙醇、甲醇或它們的任何比例的混合溶液。 由于用于無壓燒結工藝的碳化硅粉的粒徑大都在O.l - 0.9微米之間，顆粒已較 小，而經過球磨生成的所述雙功能預制料粒徑也較小，因而，盡管物料中包含 相對難于混合的炭纖維，采用加入液體配成漿狀物料并施加機械攪拌的方式有 益于物料混合。并且，所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等的混合方式， 還可以是結合施加機械攪拌和超聲波的方式在施加機械攪拌的同時或間歇， 對所述漿狀物料施加超聲波。結合施加機械攪拌和超聲波的方式有利于促進摻 有炭纖維的物料的均勻混合。所述棒狀氧化鋁顆粒的徑向寬度分布、棒狀氧化鋁顆粒的長徑比分布、片 狀氧化鋁顆粒的板片寬度分布以及板片寬度與板片厚度之比的分布，實際上允 許范圍較寬；但是，比較好的選擇范圍是所述棒狀氧化鋁顆粒的長徑比分布 在3與5之間，所述棒狀氧化鋁顆粒的徑向寬度分布在O.l微米與0.8微米之 間，所述片狀氧化鋁顆粒的板片寬度介于0.3微米與6.0微米之間，所述片狀 氧化鋁顆粒的板片寬度與板片厚度之比介于3與10之間。納米級的嵌入物顆 粒有助于抑制碳化硅晶粒的長大，碳化硅晶粒的的細化是一個重要的增韌因素。本發(fā)明的特點，是利用炭纖維的增韌強勢，在結合使用炭纖維的情形下，
同時引入棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒，與炭纖維一起對碳化硅陶瓷進 行組合增韌；所述棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒易于與其它物料均勻混 合；本發(fā)明的方案減小了對于相對難于分散的炭纖維的依賴程度，并弱化了混 料不均可能帶來的負面影響。本發(fā)明的方案兼顧利用熱膨脹失配誘發(fā)微裂紋、 裂紋偏轉、裂紋橋聯(lián)、棒狀氧化鋁顆粒拔出效應、片狀氧化鋁顆粒拔出效應以 及炭纖維拔出效應等有益的增韌因素。實施例l:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0. 9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0.5 % - 3.0 % (重量)的OB燒結助劑，與1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，以及，70. 0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維， 進行干法球磨混合，模壓成型，在100'C - 300"€溫度區(qū)間固化，之后，在 1700°C - 2100。C溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例2:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B燒結助劑，與1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維， 以及，適量的水，配成漿狀物料，進行濕法球磨混合，經干燥，造粒，模壓成
型，在100°C -300°。溫度區(qū)間固化，之后，在1700°C -2100^溫度區(qū)間燒結0.5 -3.0小時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例3:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B燒結助劑，與1.0 %- 5.0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維， 以及，適量的水，配成漿狀物料，進行機械攪拌混合，經干燥，造粒，模壓成 型，在IO(TC -300°(:溫度區(qū)間固化，之后，在1700°C -2100°。溫度區(qū)間燒結0.5 -3.0小時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例4:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0. 9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0. 5 % - 3. 0 % (重量)的C-B燒結助劑，與1. 0 % - 5. 0 % (重量)的 PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，以及，70.0 % - 94.5 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維， 以及，適量的水，配成漿狀物料，進行機械攪拌混合，同時對漿狀物料施加超 聲波，如此處理完后，經干燥，造粒，模壓成型，在100'C - 300<€溫度區(qū)間固化，之后，在1700。C -2100。C溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳化硅陶瓷產 實施例5:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0. 9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將2.0 % - 8.0 % (重量)的A1N+Y203燒結助劑，與1.0 %- 5. 0 % (重 量)的PVA，以及，2.0%-12.0% (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，以 及，65.0 % - 93.0 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量) 的炭纖維，以及，適量的水，配成漿狀物料，進行濕法球磨混合，經干燥，造 粒，模壓成型，在10(TC -30(TC溫度區(qū)間固化，之后，在1700。C -2100°(:溫度 區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例6:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0. 9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。按鋁與釔的元素摩爾比8~17比3，將所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料與氧化釔 混合，進行球磨，制成雙功能預制料。將5.0 % - 20.0 % (重量)的雙功能預 制料，與1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA，以及，65.0 % - 92.0 % (重量) 的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維，以及，適量的水，配 成漿狀物料，進行濕法球磨混合，經干燥，造粒，模壓成型，在10(TC - 300°C 溫度區(qū)間固化，之后，在170(TC -2100°〇溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳 化硅陶瓷產品。實施例7:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比
例值介于0. 1與0. 9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。按鋁與釔的元素摩爾比8~17比3，將所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料與氧化釔 混合，進行球磨，制成雙功能預制料。將5.0 % - 20.0 % (重量)的雙功能預 制料，與1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA，以及，65.0 % - 92.0 % (重量) 的碳化硅粉，以及,2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維，以及，適量的水，配 成漿狀物料，進行機械攪拌混合，經干燥，造粒，模壓成型，在10(TC - 300°C 溫度區(qū)間固化，之后，在170(TC -2100"溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳 化硅陶瓷產品。實施例8:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆 粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。按鋁與釔的元素摩爾比8~17比3，將所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料與氧化釔 混合，進行球磨，制成雙功能預制料。將5.0 % - 18.0 % (重量)的雙功能預 制料，與1.0%- 5.0% (重量)的PVA， 0.1%- 2.0% (重量)的氧化鎂， 以及，65.0 % - 91.9 % (重量)的碳化硅粉，以及，2.0 %- 10.0 % (重量) 的炭纖維，以及，適量的水，配成漿狀物料，進行機械攪拌混合，經干燥，造 粒，模壓成型，在10(TC -300°<:溫度區(qū)間固化，之后，在170(TC -21001:溫度 區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例9:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所述 氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比 例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆
粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。按鋁與釔的元素摩爾比8~17比3，將所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料與氧化釔 混合，進行球磨，制成雙功能預制料。將5.0 % - 20.0 % (重量)的雙功能預 制料，與1.0 %- 5.0 % (重量)的PVA， 0. 1 %- 2.0 % (重量)的氧化鎂， 0.1 %- 2.0 % (重量)的氧化鑭，以及，61.0 % - 91.8 % (重量)的碳化 硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維，以及，適量的水，配成漿狀 物料，進行機械攪拌混合，經干燥，造粒，模壓成型，在IO(TC - 300'C溫度區(qū) 間固化，之后，在170(TC -2100"溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳化硅陶 瓷產品。實施例10:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所 述氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的比例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0. 5 % - 3. 0 % (重量)的C-B燒結助劑，與1. 0 % - 5. 0 % (重量)的 PVA， 2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的氧化鎂，0.1%- 2.0 % (重量)的氧化鑭，以及，66.0 % - 94.3 % (重量)的碳化硅粉，以及,2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維，以及，適 量的水，配成漿狀物料，進行濕法球磨混合，經干燥，造粒，模壓成型，在100 °C - 300°。溫度區(qū)間固化，之后，在170(TC -2100°(:溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小 時，形成碳化硅陶瓷產品。實施例11:取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁顆粒原料，按每一種所 述氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重量)的 比例值介于0. 1與0.9之間的比例，稱取棒狀氧化鋁顆粒原料以及片狀氧化鋁
顆粒原料，簡單混配成雙形貌氧化鋁顆粒粉料。將0.5 % - 3.0 % (重量)的C-B燒結助齊IJ，與1.0%- 5.0%(重量)的 PVA， 2. 0 % - 12. 0 % (重量)的所述雙形貌氧化鋁顆粒粉料，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的氧化鎂，0.1 %- 2.0 % (重量)的氧化鑭，0.1%- 2.0 % (重 量)的甘油，0. 1 % - 2. 0 % (重量)的油酸，以及，62. 0 % - 94. 1 % (重量) 的碳化硅粉，以及，2.0 % - 10.0 % (重量)的炭纖維，以及，適量的水，配 成漿狀物料，進行濕法球磨混合，經干燥，造粒，模壓成型，在100°C - 300°C 溫度區(qū)間固化，之后，在170(TC -2100°。溫度區(qū)間燒結0.5-3.0小時，形成碳 化硅陶瓷產品。為方便本領域之外的技術人員理解和實施本發(fā)明，本發(fā)明實施例中凡涉及 "C-B燒結助劑"的實施例，"C-B燒結助劑"均指定是碳化硼，即B4C。為方便本領域之外的技術人員理解和實施本發(fā)明，本發(fā)明實施例中凡涉及 "A1N+Y203燒結助劑"的實施例，"A1N+Y203燒結助劑"均指定是A1N與&03摩 爾比為2比l的混合物。本發(fā)明各實施例中，所涉及原料的用量均以范圍形式給出，按所列用量范 圍實施，均能在不同程度上實現(xiàn)本發(fā)明的目的；為方便本領域之外的技術人員 理解和實施本發(fā)明，可以指定各原料所列用量范圍的中間值為最佳用量實施值。為方便本領域之外的技術人員理解和實施本發(fā)明，燒結設備可以指定是真 空碳管爐或熱壓燒結爐；在互聯(lián)網上可以找到許多此類設備的供應商。關于陶瓷性能的測試方法和相關測試儀器，為方便本領域之外的技術人員 了解情況，說明如下以適當關鍵詞鍵入檢索，通過中文期刊網以及外文期刊 網以及互聯(lián)網各大搜索工具，可以査到許多相關信息。
權利要求
1，一種含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，該制造方法的主要原料是碳化硅粉、燒結助劑、增韌料以及結合劑，經混合、成型、固化、高溫燒結等主要工藝步驟，形成碳化硅陶瓷產品，原料中含有的增韌料是為增加碳化硅陶瓷的韌性而加入的物料，所述高溫燒結工藝步驟的燒結方式是無壓固相燒結或無壓液相燒結，其特征在于，所采用的增韌料是由棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒以及炭纖維三種增韌物質組成，所述棒狀氧化鋁顆粒是顆粒形貌呈棒狀的氧化鋁粉，所述片狀氧化鋁顆粒是顆粒形貌呈片狀的氧化鋁粉，以及，每一種所述增韌物質的使用量(重量)與所述增韌料整體的使用量(重量)的比例值介于0.1與0.8之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，所述碳化硅陶瓷制造方法是采用氧化釔和氧化鋁作為燒結助劑的 無壓液相燒結制造方法，以及，用作燒結助劑的那部分氧化鋁原料也是 采用所述棒狀氧化鋁顆粒與所述片狀氧化鋁顆粒的組合，以及，每一種 所述氧化鋁顆粒的使用量(重量)與兩種所述氧化鋁顆粒的總使用量(重 量)的比例值介于0. 1與0. 9之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征在于，該制造方法的原料中含有鎂元素。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征在于，該制造方法的原料中含有鑭元素。
5.根據(jù)權利要求2所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，原料混合工序包括以下工藝步驟 a:將所述棒狀氧化鋁顆粒以及所述片狀氧化鋁顆粒與氧化釔混合，進行 球磨，形成雙功能預制料，在所述雙功能預制料中，鋁元素與釔元 素的混合摩爾比大于七比三。 b:將所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等進行混合。
6.根據(jù)權利要求5所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，在將所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等進行 混合的工藝步驟中，其混合方式是球磨方式。
7.根據(jù)權利要求5所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，在將所述雙功能預制料與碳化硅粉以及炭纖維以及結合劑等進行 混合的工藝步驟中，其混合方式是加入液體形成漿狀物料，并對所述漿 狀物料施加機械攪拌。
8.根據(jù)權利要求7所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，對所述漿狀物料結合施加機械攪拌和超聲波。
9.根據(jù)權利要求1所述的含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法，其特征 在于，所述棒狀氧化鋁顆粒的長徑比分布在3與5之間，所述棒狀氧化 鋁顆粒的徑向寬度分布在O.l微米與0.8微米之間，所述片狀氧化鋁顆 粒的板片寬度介于0.3微米與6.0微米之間，所述片狀氧化鋁顆粒的板 片寬度與板片厚度之比介于3與IO之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷制造方法，特別是關于碳化硅陶瓷制造方法。本發(fā)明提供一種含炭纖維的碳化硅陶瓷組合物制造方法。本發(fā)明的特點，是利用炭纖維的增韌強勢，在結合使用炭纖維的情形下，同時引入棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒，與炭纖維一起對碳化硅陶瓷進行組合增韌；所述棒狀氧化鋁顆粒以及片狀氧化鋁顆粒易于與其它物料均勻混合；本發(fā)明的方案減小了對于相對難于分散的炭纖維的依賴程度，并弱化了混料不均可能帶來的負面影響。
文檔編號C04B35/622GK101164995SQ20061013918
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月16日 優(yōu)先權日2006年10月16日
發(fā)明者岳 宋, 李榕生, 淼 水, 霞 王 申請人:寧波大學