專利名稱：一種復雜形狀碳化硅的熔模成型方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種難加陶瓷制件的成型工藝，特別涉及一種復雜形狀碳 化硅的熔模成型方法。
技術背景碳化硅陶瓷是一種具有良好綜合性能的材料。碳化硅陶瓷具有密度 小，熱導率高，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震性好，抗氧化性好，高溫強度大， 耐腐蝕等特點，已在眾多工業(yè)領域得以應用。例如在航天航空工業(yè)用于制備火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁、噴嘴及鼻錐；在汽車工業(yè)用于制備渦輪增壓器 轉子。然而，形狀復雜、凈成型的碳化硅的制備一直是制約碳化硅陶瓷推 廣應用的關鍵技術。美國專利(3859421， 1975)首次提出以糠醇樹脂為碳 質(zhì)原料制備出多孔碳胚體，隨后對胚體進行機加工得到具有碳化硅制件幾 何形狀的胚體。因胚體滲硅前后幾何尺寸基本不變，胚體滲硅后即制得設 計形狀的碳化硅制件。但是，采用可機加工賦予多孔胚體一定的幾何形狀 在一定程度上限制了該工藝的復雜成型能力。中國專利(CN 1609054A) 公開了以光敏樹脂為碳質(zhì)原料，結合光固化快速成型技術，制得復雜形狀 的碳化硅制件。因采用了快速成型技術，其復雜成型能力得以提高。但是 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?zhí)悸瘦^低，不 利于工業(yè)化生產(chǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種由模具控制碳化硅制件的幾何形狀，具有
無需脫模、模具材料可重復利用、低成本、 一次性成型的復雜形狀碳化硅 的熔模成型方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是-1) 固化成型根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1:0.33 1:3重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1: 1 1:3的重量 比將2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂 和乙二醇總重量4 10%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛 樹脂混和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試 樣；2) 深固化將固化成型的試樣在初始溫度為6(TC升溫至100 180°C 保溫8h，升溫速率為20°C/12h，同時回收熔解石蠟；3) 碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至700 100(TC保溫lh， 升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2，制成多 孔碳質(zhì)胚體；4) 滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體平置于硅粒上， 然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8°C/min升溫速度加熱到IOOO'C后停 止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1450 1550°C,保溫30 , 120min;4)排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650°C，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。本發(fā)明以成品酚醛樹脂即2130#熱固性酚醛樹脂(西安樹脂廠生產(chǎn)) 為碳質(zhì)原料，以可回收使用的石蠟為模具，先根據(jù)制件實際要求設計并工模具，把酚醛樹脂混合物澆注到模具中，通過固化成型、深固化、碳化 得到孔結構可調(diào)控的多孔碳胚體，進一步滲硅制備出形狀復雜的碳化硅制 件。實現(xiàn)由模具控制碳化硅制件的幾何形狀，而模具本身則可以在深固化 過程中因熔解自行去除并加以回收。
具體實施方式
實施例l:固化成型根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1:2 重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:1的重量比將 2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量8%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固化將固化成型的試樣在初始溫度為6(TC升溫至150°C,升溫速率為20°C/12h，同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至900t:保溫ih，升溫速率為5(rc/h，完成保溫后隨爐冷卻至30crc以下停止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體 平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8"C/min升溫速度加 熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1500°C， 保溫70min;排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650°C，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例2:固化成型:根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1:0. 5 重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:3的重量比將 2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量5%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固化
將固化成型的試樣在初始溫度為60。C升溫至120°C，升溫速率為20°C /12h,同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至700 。C保溫lh，升溫速率為50°C/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體. 平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8XVmin升溫速度加 熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1480°C， 保溫85min;排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650°C，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例3:固化成型根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按l:l 重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:1. 3的重量比將 2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量10%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混 和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固 化將固化成型的試樣在初始溫度為6(TC升溫至18(rC，升溫速率為20 °C/12h，同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至 100(TC保溫lh，升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停 止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì) 胚體平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8。C/min升溫速. 度加熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至 1520°C，保溫60min;排硅保溫后再次抽真空，并升溫至165(TC，保溫 10 30min，冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例4:固化成型根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按l: 3重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:1. 6的重量比將 2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量6%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和 物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固化:將固化成型的試樣在初始溫度為60'C升溫至130°C，升溫速率為2(TC /12h,同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至800 'C保溫lh，升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8。C/min升溫速度加 熱到IOOO'C后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1450°C， 保溫120min;排硅:保溫后再次抽真空，并升溫至165CTC ，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例5:固化成型根據(jù)碳化硅審附外形制做石蠟陰模，然后按 1:0. 33重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:2的重量比 將2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和 乙二醇總重量4%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混 和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固 化將固化成型的試樣在初始溫度為6(rC升溫至10(TC，升溫速率為20 °C/12h，同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至 75(TC保溫lh，升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至300'C以下停止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8。C/min升溫速 度加熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至 1550°C，保溫30min;排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650°C，保溫
10 30min，冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例6:固化成型:根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1:1.5 重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:2. 5的重量比將 2130tt熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量7%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和 物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固化:將固化成型的試樣在初始溫度為6(TC升溫至160°C，升溫速率為20°C /12h，同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至950 'C保溫lh，升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停止供 N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體 平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8TVmin升溫速度加 熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1460°C， 保溫100min;排硅:保、溫后再次抽真空，并升溫至165(TC，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。實施例7:固化成型:根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1:2. 6 重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1:2. 8的重量比將 2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙 二醇總重量9%的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和 物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；深固化 將固化成型的試樣在初始溫度為6(TC升溫至ll(TC，升溫速率為20°C /12h，同時回收熔解石蠟；碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至850 'C保溫lh，升溫速率為5(TC/h，完成保溫后隨爐冷卻至30(TC以下停止供 N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體
平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8-C/min升溫速度加 熱到IOO(TC后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1540°C， 保溫50min;排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650°C，保溫10 30min， 冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。
權利要求
1、一種復雜形狀碳化硅的熔模成型方法，其特征在于1)固化成型根據(jù)碳化硅制件外形制做石蠟陰模，然后按1∶0.33～1∶3重量比將乙二醇和淀粉混合均勻制成孔形成劑；再按1∶1～1∶3的重量比將2130#熱固性酚醛樹脂和孔形成劑混合攪拌均勻，隨后加入酚醛樹脂和乙二醇總重量4～10％的苯磺酰氯混合均勻制成酚醛樹脂混合物，將酚醛樹脂混和物澆注到石蠟陰模中，室溫下擱置使該混合物固化成型得到試樣；2)深固化將固化成型的試樣在初始溫度為60℃升溫至100～180℃保溫8h，升溫速率為20℃/12h，同時回收熔解石蠟；3)碳化在N2氣保護下進行碳化，由室溫升至700～1000℃保溫1h，升溫速率為50℃/h，完成保溫后隨爐冷卻至300℃以下停止供N2，制成多孔碳質(zhì)胚體；4)滲硅在坩堝中放入工業(yè)硅粒，將多孔碳質(zhì)胚體平置于硅粒上，然后將坩堝放入真空爐，抽真空并以8℃/min升溫速度加熱到1000℃后停止抽真空，隨后以同樣的升溫速度繼續(xù)加熱至1450～1550℃，保溫30～120min；4)排硅保溫后再次抽真空，并升溫至1650℃，保溫10～30min，冷卻后即制得設計形狀的碳化硅制件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復雜形狀碳化硅的熔模成型方法，根據(jù)碳化硅制件的實際外形要求，設計及加工石蠟陰模，然后把酚醛樹脂混合物澆注到模具中，室溫下固化成型。隨后經(jīng)深固化、碳化制得具有制件形狀的多孔碳質(zhì)坯體。石蠟模具則在深固化過程中熔解自行去除，同時收集熔解的石蠟以回收使用。最終對多孔碳質(zhì)坯體進行滲硅處理，制備出設計形狀的碳化硅制件，適于腐蝕、磨損、氧化、高溫環(huán)境的使用。該方法有效的解決了碳化硅復雜成型以及凈成型問題，具有低成本、一次性成型、易工業(yè)生產(chǎn)、無需脫模以及模具材料重復利用等特點。
文檔編號C04B35/565GK101397209SQ200810231978
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權日2008年10月28日
發(fā)明者喬冠軍, 徐順建, 杰 李, 李滌塵, 楊建鋒, 王紅潔, 王繼平, 高積強 申請人:西安交通大學