專利名稱：表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷領(lǐng)域，涉及一種提高以B、C體系為燒結(jié)助劑的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面質(zhì)量的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅陶瓷 具有優(yōu)良的力學(xué)性能、高溫抗氧化性、耐磨性、抗熱震性以及特殊的電、熱學(xué)性能，它作為新型高性能結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代國防、核能和空間技術(shù)等多個領(lǐng)域。而固相燒結(jié)碳化硅陶瓷具有高強度、低密度、高熱導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)，有利于減重、高可靠、面型穩(wěn)定的應(yīng)用要求，成為航空領(lǐng)域的重要光學(xué)材料。但是，當(dāng)碳化硅陶瓷用作光學(xué)元件時，由于需要先經(jīng)過機(jī)械加工處理，而機(jī)械加工不可避免地會對表面產(chǎn)生一定的損傷，影響表面質(zhì)量。因此，最大程度地減小材料表面損傷，為后續(xù)的鍍膜加工提供良好的表面質(zhì)量和較高的尺寸精度成為光學(xué)加工的必要。目前減小表面損傷的主要方法有:改善機(jī)械加工的條件，如轉(zhuǎn)速、壓力、磨粒粒徑、磨削時間等，選擇最優(yōu)的加工條件；采用不同的加工方法，如浮法拋光、化學(xué)機(jī)械拋光等。這兩種方法在一定程度上降低了表面損傷，提高了光學(xué)材料的表面質(zhì)量。但改善機(jī)械加工的條件較為不易，原因是具有不同的微觀形貌、晶粒尺寸、第二相的含量等的陶瓷對應(yīng)于不同的最優(yōu)加工條件，需要經(jīng)過大量的實驗與經(jīng)驗的積累獲得，耗時費力。對于浮法拋光或者化學(xué)機(jī)械拋光法，不易加工大尺寸、形狀復(fù)雜的光學(xué)制品，工藝要求較高，工藝過程較為復(fù)雜，加工成本昂貴，改善表面質(zhì)量的程度有限。這些方法對于改善固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面質(zhì)量有限，加工成本較高，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)。迄今為止，本領(lǐng)域尚未開發(fā)出一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的提高陶瓷的光學(xué)表面質(zhì)量的方法。因此，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)出一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的提高陶瓷的光學(xué)表面質(zhì)量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新穎的表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，該方法在加工條件和工藝一定的情況下，通過改變材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或者成分進(jìn)而提高陶瓷的光學(xué)表面質(zhì)量，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。本發(fā)明提供了一種表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，該方法包括以下步驟:測量SiC粉體表面的氧含量，并根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的碳含量；加入燒結(jié)助劑B和C混合漿料，配比如下:燒結(jié)助劑與SiC粉體的混合物:磨球:分散介質(zhì)=1:3:1;烘干漿料、過篩，成型后除去粘結(jié)劑；
在流動惰性氣體保護(hù)下，以燒結(jié)溫度為2050-2200°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間1_4小時，生成致密的SiC陶瓷；對所得的致密的SiC陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工；對經(jīng)機(jī)械加工的SiC陶瓷進(jìn)行超聲清洗以去除陶瓷表面上的殘留粒子和沾污物。在一個優(yōu)選的實施方式中，所述燒結(jié)助劑B和C分別以0.4-1.0重量％和1-3重量％加入，以所述SiC粉體的總重量為100%計。在另一個優(yōu)選的實施方式中，使用無水乙醇作為分散介質(zhì)，SiC球作為磨球。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述除去粘結(jié)劑在900°C的真空中進(jìn)行。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述惰性氣體使用Ar氣。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述機(jī)械加工包括如下步驟:先采用B4C磨粒進(jìn)行粗磨，然后采用金剛石磨粒細(xì)磨，最后采用金剛石懸浮液拋光。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述燒結(jié)助劑C使用C單質(zhì)、酚醛樹脂或兩者的混合物；所述燒結(jié)助劑B使用B單質(zhì)、B4C或兩者的混合物。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述SiC粉體的粒徑為亞微米級，純度大于99.99%。在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述漿料在60°C烘箱烘干，過100目篩；在平板機(jī)上以50MPa壓力成型，再經(jīng)200MPa冷等靜壓。

在另一個優(yōu)選的實施方式中，所述機(jī)械加工包括如下步驟:依次采用粒徑為63-75 μ m和35-38 μ m的B4C磨粒粗磨10-40分鐘，轉(zhuǎn)速為50_60rpm ;依次采用粒徑為20 μ m和10 μ m的金剛石磨粒細(xì)磨10-40分鐘，轉(zhuǎn)速為40_50rpm ;依次采用5 μ m、3 μ m和I μ m的金剛石懸浮液拋光，時間分別為4-5小時、2-3小時和2小時，轉(zhuǎn)速分別為40rpm、35rpm、30rpm ;機(jī)械加工時控制壓力在I 00_700g/cm2。


圖1是本申請實施例1制備的表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面示意圖。圖2是本申請比較例制備的表面質(zhì)量未提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人在經(jīng)過了廣泛而深入的研究之后發(fā)現(xiàn)，針對固相燒結(jié)碳化硅陶瓷常用的B、C體系，選擇合適的燒結(jié)助劑C的含量，將C含量降低到僅用于去除碳化硅粉體表面的氧化硅(抑制碳化硅晶粒長大所需要的C含量完全可以通過控制燒結(jié)條件替代)，從而使得從陶瓷漿料配制開始就可以有效地控制并提高陶瓷的光學(xué)表面質(zhì)量，減少了機(jī)械加工所需的時間和精加工的復(fù)雜步驟，為光學(xué)鍍膜提供了優(yōu)越的襯底質(zhì)量。基于上述發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明得以完成。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下:由于C和SiC的顯微硬度和斷裂韌性的差異是導(dǎo)致固相碳化硅陶瓷表面損傷的重要原因，本發(fā)明的提高固相燒結(jié)碳化硅表面質(zhì)量的方法通過降低固相燒結(jié)碳化硅陶瓷中的少量的燒結(jié)助劑C，能夠簡捷、有效地改善固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面質(zhì)量。本發(fā)明只需先測量碳化硅粉體表面的氧含量，并根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的碳含量，進(jìn)行原料配比，按照傳統(tǒng)的燒結(jié)方法燒結(jié)即可。本發(fā)明的關(guān)鍵為碳含量的控制，將C含量降低到只夠去除碳化硅粉體表面的氧化硅，而抑制碳化硅晶粒長大所需要的C含量完全可以通過控制燒結(jié)條件替代。本發(fā)明提供了一種提高固相燒結(jié)碳化硅表面質(zhì)量的方法，該方法包括以下步驟:(I)測量SiC粉體表面的氧含量，并根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的碳含量;(2)燒結(jié)助劑B與C分別以占SiC粉體(a-SiC粉料)的0.4_1.0重量％與1_3重量％加入；(3)以無水乙醇為分散介質(zhì)，SiC球為磨球，具體配比是燒結(jié)助劑與SiC粉料混合物:SiC球:無水乙醇=1:3:1;(4)烘干漿料、過篩，成型后在真空中900°C除去粘結(jié)劑；(5)在流動Ar氣保護(hù)下，燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為2050-2200°C，保溫時間為1_4小時，生成致密的SiC陶瓷；(6)對致密的SiC陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工:先采用B4C磨粒進(jìn)行粗磨，然后采用金剛石磨粒細(xì)磨，最后采用金剛石懸浮液拋光；(7)拋光后對SiC陶瓷超聲清洗以去除表面上的殘留粒子和沾污物。較佳地，所述燒結(jié)助劑C為C單`質(zhì)、酚醛樹脂或兩者的混合物，含量為1-3重量％，具體加入量根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算得出。較佳地，所述燒結(jié)助劑B為B單質(zhì)、B4C或兩者的混合物，含量為0.4-1.0重量％。較佳地，所述SiC粉體的粒徑為亞微米級，純度大于99.99%。較佳地，所述混合漿料在60°C烘箱烘干，過100目篩；在平板機(jī)上以50MPa壓力成型，再經(jīng)200MPa冷等靜壓。較佳地，所述機(jī)械加工條件為:依次采用粒徑為63-75 μ m和35_38 μ m的B4C磨粒粗磨10-40分鐘，轉(zhuǎn)速為50-60rpm ;然后依次采用20 μ m和10 μ m的金剛石磨粒細(xì)磨10-40分鐘，轉(zhuǎn)速為40_50rpm ;最后依次采用5μηι、3μηι和I μ m的金剛石懸浮液拋光，時間分別為4-5小時、2-3小時和2小時，轉(zhuǎn)速分別為40rpm、35rpm和30rpm，機(jī)械加工時控制壓力在100-700g/cm2。本發(fā)明的主要優(yōu)點在于:本發(fā)明的提高固相燒結(jié)碳化硅表面質(zhì)量的方法操作簡單，重復(fù)性高，減少了機(jī)械加工所需的時間和精加工的復(fù)雜步驟，可靠方便、效率較高，簡捷、有效地提高了固相燒結(jié)SiC的表面質(zhì)量，為后續(xù)的鍍膜加工提供表面粗糙度良好的襯底。
實施例下面結(jié)合具體的實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。但是，應(yīng)該明白，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。下列實施例中未注明具體條件的試驗方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另有說明，所有的百分比和份數(shù)按重量計。
實施例1檢測一碳化硅粉末含氧量為1.14重量％，根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的C含量為1.29重量％。考慮碳的還原效率，采用C含量為2重量％作為材料最初的配比進(jìn)行燒結(jié)，以燒結(jié)助劑B4C: C = 0.5重量％: 2重量％，按a-SiC粉料的2.5重量％加入，其中a -SiC粉料的粒徑為亞微米級，純度大于99.99%，質(zhì)量為97.5g，B4C為0.5g ;燒結(jié)助劑C以酚醛樹脂引入，酚醛樹脂的裂解C含量為60%，酚醛樹脂為3.3g ;以無水乙醇為分散介質(zhì)，SiC球為磨球，具體配比是燒結(jié)助劑與SiC粉體混合物:SiC球:無水乙醇=1:3:1混合漿料，砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，沙磨時間為2小時。所得的漿料在60°C烘箱烘干，過100目篩；在平板機(jī)上以50MPa壓力成型，再經(jīng)200MPa冷等靜壓，在真空電阻中于900°C脫除粘結(jié)劑。在流動Ar氣保護(hù)下，置于碳管爐燒結(jié)，在1100°C下以20°C /分鐘的速率升溫，然后以10°C /分鐘升到溫度2100°C，保溫I小時。將所得的SiC陶瓷材料進(jìn)行機(jī)械加工:先采用粒徑為70 μ m和36 μ m的B4C磨粒依次粗磨各20分鐘，轉(zhuǎn)速為50rpm ;再采用20 μ m和10 μ m的金剛石磨粒依次細(xì)磨各20分鐘,轉(zhuǎn)速為45rpm ;最后采用5 μ m、3 μ m和I μ m的金剛石懸浮液依次拋光，時間分別為4小時、2小時和2小時,轉(zhuǎn)速分別為40rpm、35rpm和30rpm，機(jī)械加工時壓力為230g/cm2。拋光后對SiC陶瓷超聲清洗，丙酮中超聲清洗5分鐘，然后在乙醇中超聲清洗5分鐘。所得的燒結(jié)材料的相對密度為99.1 %，表面粗糙度為0.740nm，結(jié)果見圖1。如圖1所示，所得的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面粗糙度良好，表面質(zhì)量提聞。實施例2檢測一碳化硅粉末含氧量為1.14重量％，根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的C含量為1.29重量％，考慮碳的還原效率，采用C含量為2重量％作為材料最初的配比進(jìn)行燒結(jié)。以燒結(jié)助劑B4C: C = 0.5重量2重量％，按a-SiC粉料的2.5重量％加入，其中a-SiC粉料的粒徑為亞微米級，純度大于99.99%，質(zhì)量為97.5g，B4C為0.5g。燒結(jié)助劑C以酚醛樹脂引入，酚醛樹脂的裂解C含量為60%，酚醛樹脂為3.3g。以無水乙醇為分散介質(zhì)，SiC球為磨球，具體配比是燒`結(jié)助劑與SiC粉料混合物:SiC球:無水乙醇=1:3:1混合漿料，砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，沙磨時間為2小時。所得的漿料在60°C烘箱烘干，過100目篩；在平板機(jī)上以50MPa壓力成型，再經(jīng)200MPa冷等靜壓，在真空電阻中于900°C脫除粘結(jié)劑。在流動Ar氣保護(hù)下，置于碳管爐燒結(jié)，在1100°C下以20°C /分鐘的速率升溫，然后以10°C /分鐘升到溫度2050°C，保溫I小時。將所得的SiC陶瓷材料進(jìn)行機(jī)械加工:先采用粒徑為70 μ m和36 μ m的B4C磨粒依次粗磨各30分鐘，轉(zhuǎn)速為50rpm ;再采用20 μ m和10 μ m的金剛石磨粒依次細(xì)磨各30分鐘,轉(zhuǎn)速為45rpm ;最后采用5 μ m、3 μ m和I μ m的金剛石懸浮液依次拋光，時間分別為5小時、3小時和2小時,轉(zhuǎn)速分別為40rpm、35rpm和30rpm，機(jī)械加工時壓力為230g/cm2。拋光后對SiC陶瓷超聲清洗，丙酮中超聲清洗5分鐘，然后在乙醇中超聲清洗5分鐘。所得的燒結(jié)材料的相對密度為98.7%，表面粗糙度為 0.884nm。比較例該比較例與實施例1的不同之處在于:未檢測碳化硅粉末的含氧量，而是直接將燒結(jié)助劑以B4C: C = 0.5重量％: 6重量％，按a-SiC粉料的6.5重量％加入，其中a -SiC粉料的粒徑為亞微米級，純度大于99.99%，質(zhì)量為93.5g，B4C為0.5g ;燒結(jié)助劑C以酚醛樹脂引入，酚醛樹脂的裂解C含量為60%，酚醛樹脂為10g。所得的燒結(jié)材料的相對密度98.4%，表面粗糙度為3.603nm,結(jié)果見圖2。如圖2所示，所得的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的表面粗糙度不佳，表面質(zhì)量未提高。

在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，該方法包括以下步驟: 測量SiC粉體表面的氧含量，并根據(jù)3C+Si02 = SiC+2C0丨計算出所需的碳含量； 加入燒結(jié)助劑B和C混合漿料，配比如下:燒結(jié)助劑與SiC粉體的混合物:磨球:分散介質(zhì)=1:3:1; 烘干漿料、過篩，成型后除去粘結(jié)劑； 在流動惰性氣體保護(hù)下，以燒結(jié)溫度為2050-2200°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間1-4小時，生成致密的SiC陶瓷； 對所得的致密的SiC陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工； 對經(jīng)機(jī)械加工的SiC陶瓷進(jìn)行超聲清洗以去除陶瓷表面上的殘留粒子和沾污物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燒結(jié)助劑B和C分別以0.4-1.0重量％和1-3重量％加入，以所述SiC粉體的總重量為100%計。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用無水乙醇作為分散介質(zhì)，SiC球作為磨球。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述除去粘結(jié)劑在900°C的真空中進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體使用Ar氣。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械加工包括如下步驟:先采用B4C磨粒進(jìn)行粗磨，然后采用金剛石磨粒細(xì)磨，最后采用金剛石懸浮液拋光。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燒結(jié)助劑C使用C單質(zhì)、酚醛樹脂或兩者的混合物；所述燒結(jié)助劑B使用B單質(zhì)、B4C或兩者的混合物。
8.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述SiC粉體的粒徑為亞微米級，純度大于 99.99%。
9.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述漿料在60°C烘箱烘干，過100目篩；在平板機(jī)上以50MPa壓力成型，再經(jīng)200MPa冷等靜壓。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械加工包括如下步驟:依次采用粒徑為63-75 μ m和35-38 μ m的B4C磨粒粗磨10-40分鐘，轉(zhuǎn)速為50_60rpm ;依次采用粒徑為20 μ m和10 μ m的金剛石磨粒細(xì)磨10_40分鐘,轉(zhuǎn)速為40_50rpm ;依次采用5 μ m、3 μ m和I μ m的金剛石懸浮液拋光，時間分別為4-5小時、2_3小時和2小時，轉(zhuǎn)速分別為40rpm、35rpm>30rpm ;機(jī)械加工時控制壓力在100-700g/cm2。
全文摘要
本發(fā)明涉及表面質(zhì)量提高的固相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，該方法包括以下步驟測量SiC粉體表面的氧含量，并根據(jù)3C+SiO2＝SiC+2CO↑計算出所需的碳含量；加入燒結(jié)助劑B和C混合漿料，配比如下燒結(jié)助劑與SiC粉體的混合物∶磨球∶分散介質(zhì)＝1∶3∶1；烘干漿料、過篩，成型后除去粘結(jié)劑；在流動惰性氣體保護(hù)下，以燒結(jié)溫度為2050-2200℃進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間1-4小時，生成致密的SiC陶瓷；對所得的致密的SiC陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工；對經(jīng)機(jī)械加工的SiC陶瓷進(jìn)行超聲清洗以去除陶瓷表面上的殘留粒子和沾污物。
文檔編號C04B35/622GK103102158SQ20111035209
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者高劍琴, 黃政仁, 陳健, 劉桂玲, 劉學(xué)建 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所