一種水基C/SiC料漿及C/SiC坯體的凝膠注模成型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及凝膠注模成型領(lǐng)域，特別涉及一種水基C/SiC料漿及C/SiC坯體的凝膠注模成型的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅是S1-C鍵很強的共價鍵化合物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性和高的機械強度等優(yōu)異性能，在石油化工、機械制造、航空航天、核工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]反應(yīng)燒結(jié)具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、樣品收縮小、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點，可實現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜形狀碳化硅樣品的近凈尺寸燒結(jié)，降低生產(chǎn)成本。
[0004]凝膠注模成型工藝是一種陶瓷原位凝固成形工藝，將傳統(tǒng)陶瓷工藝和高分子化學(xué)理論結(jié)合起來，將陶瓷粉體、水、分散劑、有機單體混合，通過機械球磨等方式制備成料漿，在料漿中加入引發(fā)劑和催化劑，使有機單體在引發(fā)劑和催化劑的作用下發(fā)生交聯(lián)和聚合反應(yīng)，生成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，將陶瓷顆粒原位固化粘接在一起，進而生成近凈尺寸、結(jié)構(gòu)均勻、高強度的坯體。
[0005]目前在制備大尺寸、復(fù)雜形狀、精密碳化硅結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域，多采用凝膠注模成型結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝制得。在制備過程中，低應(yīng)力、無缺陷、結(jié)構(gòu)均勻、高強度C/SiC素坯的制備是制備精密反應(yīng)燒結(jié)碳化硅結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵之一。
[0006]采用凝膠注模成型工藝制備C/SiC坯體時主要存在以下技術(shù)關(guān)鍵:
[0007]1、高固相含量、高穩(wěn)定性、均勻分散的水基C/SiC凝膠注模成型料漿的制備工藝；
[0008]2、水基C/SiC料漿的均勻固化工藝；
[0009]3、低應(yīng)力、無缺陷凝膠注模成型C/SiC坯體的干燥工藝；
[0010]常采用低粘度、高固相含量、分散均勻的水基C/SiC料漿制備坯體，以降低坯體干燥收縮率，實現(xiàn)陶瓷材料的近凈尺寸成型；同時避免坯體由于大的收縮而產(chǎn)生翹曲、變形甚至開裂等缺陷；保證料漿的低粘度、高穩(wěn)定性和分散均勻性，可以提高素坯的均勻性；由于在單體聚合生成三維網(wǎng)絡(luò)狀凝膠時會產(chǎn)生體積膨脹效應(yīng)，容易在坯體引入殘余應(yīng)力，造成坯體干燥過程中出現(xiàn)開裂和分層等缺陷；同時由于坯體中的聚合物凝膠對溫度濕度極為敏感，在干燥過程中不易實現(xiàn)低應(yīng)力、無缺陷C/SiC坯體的干燥，因此低應(yīng)力無缺陷C/SiC坯體的干燥工藝是技術(shù)關(guān)鍵之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明實施例的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種低粘度、高固相含量、均勻分散的水基C/SiC料漿。
[0012]本發(fā)明實施例還提供一種結(jié)構(gòu)均勻的凝膠注模成型C/SiC坯體。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0014]一種水基C/SiC料漿，將碳化硅粉、炭黑、水、丙烯酰胺、N.N’-亞甲基雙丙烯酰胺、四甲基氫氧化銨、聚乙烯吡咯烷酮加入球磨機中，在室溫下機械球磨后，經(jīng)真空除氣，得到水基C/SiC料漿。
[0015]進一步地，還包括:
[0016]在水中加入丙烯酰胺、N.N’-亞甲基雙丙烯酰胺、四甲基氫氧化銨和聚乙烯吡咯烷酮，在室溫條件下混合溶解成混合溶液；
[0017]在混合溶液中加入碳化硅粉和炭黑，得到混合物，將混合物放入球磨機中。
[0018]所述水基C/SiC料漿中，固相含量為58vol% _68vol% ；
[0019]所述碳化硅粉添加量為水基C/SiC料漿中固相體積的85-98vol% ；
[0020]所述炭黑的添加量為水基C/SiC料漿中固相體積的2-15vol% ；
[0021]所述丙烯酰胺和N.N’ -亞甲基雙丙烯酰胺的總添加量為水質(zhì)量的20% -30%，其中，N.N’-亞甲基雙丙烯酰胺占丙烯酰胺與N.N’-亞甲基雙丙烯酰胺總質(zhì)量的10% -20%,丙烯酰胺占丙烯酰胺與N.N’ -亞甲基雙丙烯酰胺總質(zhì)量的80% -90% ;
[0022]所述四甲基氫氧化銨以四甲基氫氧化銨水溶液的形式加入，所述四甲基氫氧化銨水溶液的濃度為8-12wt% ;所述四甲基氫氧化銨水溶液的添加量為碳化硅粉質(zhì)量的0.5-2.0% ；
[0023]所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量為炭黑質(zhì)量的5.0-15.0%。
[0024]所述水為去離子水，所述碳化硅粉純度>99.2%，平均粒徑為3.0_50 ym ;所述炭黑的平均粒徑為0.3-20 μm ;所述丙烯酰胺、N.N’ -亞甲基雙丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮均為分析純。
[0025]所述球磨的時間為24-48小時；所述真空除氣過程中真空度8_12Pa，真空除氣時間為10-30分鐘。
[0026]本發(fā)明還提供一種利用上述的水基C/SiC料漿制備C/SiC坯體的凝膠注模成型的方法，包括以下步驟:
[0027](I)制備水基C/SiC料漿；
[0028](2)室溫下澆注及預(yù)定溫度下固化:
[0029]將制得的水基C/SiC料漿轉(zhuǎn)移至室溫條件下冷卻，加入引發(fā)劑過硫酸銨，催化劑亞硫酸氫鈉，緩聚劑鄰苯二酚，室溫下攪拌3-10分鐘，在室溫下澆注成型，并在預(yù)定溫度下固化得到C/SiC坯體；
[0030](3)坯體的干燥:
[0031]將制得的C/SiC坯體置于溫度濕度可控的干燥空間中進行干燥；再將坯體轉(zhuǎn)移至鼓風(fēng)干燥箱中，在設(shè)定溫度下保溫一定時間，除去C/SiC坯體中的殘余水分，得到C/SiC坯體。
[0032]所述過硫酸銨以過硫酸銨水溶液的形式添加，所述過硫酸銨水溶液的濃度為8-12wt% ;所述過硫酸銨水溶液的添加量為水基C/SiC料漿質(zhì)量的0.01-0.05% ；
[0033]所述亞硫酸氫鈉的添加量為過硫酸銨質(zhì)量的0.50-2.0倍；
[0034]所述鄰苯二酚的添加量為水基C/SiC料漿質(zhì)量的0.02-0.40%。
[0035]所述過硫酸銨、亞硫酸氫鈉及鄰苯二酚均為分析純。
[0036]所述室溫為15°C _35°C，所述攪拌的時間為3-10分鐘，所述固化的預(yù)定溫度為600C -90°C，所述固化的時間為10-20分鐘。
[0037]所述干燥時間為2-5天，所述干燥空間的溫度為10-40°C，相對濕度40% -90%，空氣流動速率 0.01m/s-0.20m/s ；
[0038]所述鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度為80_110°C，保溫時間為3-10小時。
[0039]本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0040]1、采用不同粒徑的碳化硅粉料級配混合制得了低粘度、高固相含量、分散均勻水基C/SiC料漿，保證了成型C/SiC坯體的結(jié)構(gòu)均勻性。
[0041]2、采用分析純過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，分析純亞硫酸氫鈉(NHS)為催化劑，分析純鄰苯二酚為緩聚劑，可實現(xiàn)較高溫度條件下的均勻固化，同時延長了單體聚合交聯(lián)反應(yīng)的時間，避免了單體快速聚合而放熱致使料漿內(nèi)存在不均勻溫度場，以及因快速聚合而產(chǎn)生的劇烈的體積膨脹效應(yīng)，降低了在坯體中引入殘余應(yīng)力的概率，能夠?qū)崿F(xiàn)水基C/SiC在較高溫度條件下的均勻固化，制備出結(jié)構(gòu)均勻的C/SiC坯體。
[0042]3、采用室溫控濕干燥工藝結(jié)合高溫干燥工藝對凝膠注模成型C/SiC坯體進行干燥，具有可操作性好、工藝過程穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、低應(yīng)力、無缺陷凝膠注模成型C/SiC坯體的干燥。
[0043]本發(fā)明將在均質(zhì)高強C/SiC坯體及大尺寸、復(fù)雜形狀、精密、高性能碳化硅的制備領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明實施例提供的均質(zhì)高強C/SiC坯體的凝膠注模成型工藝流程圖；
[0045]圖2是本發(fā)明實施例提供的凝膠注模成型C/SiC坯體高溫干燥溫度制度圖。
【具體實施方式】
[0046]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0047]參見圖1，圖1為均質(zhì)高強C/SiC坯體凝膠注模成型工藝流程圖，以碳化硅粉和工業(yè)級炭黑為原料，去離子水為分散介質(zhì)，丙烯酰胺(Acylamide，C3H5NO)為單體，N.N’ -亞甲基雙丙稀酰胺(C7HltlN2O2)為交聯(lián)劑，四甲基氫氧化錢(Tetramethylammonium hydroxide，C4H13NO)為碳化娃粉分散劑，聚乙稀卩比略燒酮(Polyvinylpyrolidone，(C6H9NO)n)為炭黑分散劑，在室溫下機械球磨24-48小時(優(yōu)選為36小時)后，得到水基C/SiC料漿，再經(jīng)真空除氣得到無氣泡水基C/SiC料漿。給無氣泡水基C/SiC料漿中加入引發(fā)劑、催化劑及緩聚劑并機械攪拌，得到可均勻固化水基C/SiC料，再經(jīng)室溫澆注并在較高溫度下固化，得到一定形狀和尺寸C/SiC坯體，再經(jīng)脫模、干燥，得到均質(zhì)高強的C/SiC坯體。
[0048]本發(fā)明解決了凝膠注模成型C/SiC坯體過程中存在的高固相含量低粘度料漿難制備、料漿在室溫下難均勻固化及凝膠注模成型C/SiC坯體難實現(xiàn)低應(yīng)力、無缺陷干燥的問題，實現(xiàn)了均質(zhì)高強C/SiC坯體的凝膠注模成型。
[0049]實施例1
[0050]本實施例中兩種級配碳化硅粉F1200和F240中位徑D5tl(平均粒徑)分別為3.32 μπι和43.32 μm，純度均大于99.2% ;炭黑的中位徑D5tl(平均粒徑)約0.4 μπι;制備過程中所用單體、交聯(lián)劑、分散劑、弓I發(fā)劑、催化劑均為分析純。
[0051]一種C/SiC坯體的凝膠注模成型的方法，步驟如下:
[0052](I)制備水基C/SiC料漿:
[0053]在388.65g去離子水中加入141.58g丙烯酰胺，24.98gN.N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，84.79g濃度為1wt %的四甲基氫氧化錢水溶液，4.33g聚乙稀吡咯燒酮，在室溫條件下混合溶解成混合溶液；
[0054]在混合溶液中加入2755.59g碳化硅粉F240，1483.78g碳化硅粉F1200，86.52g炭黑，得到混合物，將混合物放入球磨機中，在室溫條件下機械球磨48小時，得到水基C/SiC料漿；
[0055]將制得的料漿轉(zhuǎn)移至真空設(shè)備中，真空度約SPa條件下真空除氣10分鐘。
[0056](2)室溫下澆注及預(yù)定溫度下固化:
[0057]將制得的水基C/SiC料漿轉(zhuǎn)移至室