-SiC復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及提高反應(yīng)燒結(jié)氮化硅密度的方法，屬于原位碳化硅增韌原位氮化硅的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅與氮化硅陶瓷的密度幾乎相同(Si3N4為3.19g/cm 3，SiC為3.22g/cm3)，性能相似，兩者可以因配比的不同，互為分散相和連續(xù)相，燒結(jié)成氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合陶瓷。這種陶瓷體內(nèi)形成了氮化硅-碳化硅交織結(jié)構(gòu)，高溫強度與耐熱震性都很好，到1400° C高溫時抗彎強度仍高達245?588MPa，受800° C至室溫水中的熱沖擊后強度不會下降。氮化硅結(jié)合碳化硅材料通常用作耐火材料，性能優(yōu)異，具有較高的高溫強度、高導(dǎo)熱、抗氧化、抗高溫蠕變、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。
[0003]現(xiàn)有的碳化硅與氮化硅陶瓷制備工藝有如下三種:(I)將碳化硅和氮化硅細(xì)粉按較自由的比例混合，并添加氧化鎂、氧化鋁、氧化硼、氧化釔等燒結(jié)助劑中的一種或幾種，然后在非氧化氣氛中常壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)。(2)用粒徑0.3-1.5mm的碳化硅粉和粒徑小于1Mffl的硅粉按一定重量比例混合后成型，然后氮化反應(yīng)燒結(jié)。(3)用硅粉與有機硅樹脂制成生坯，再氮化燒結(jié)，也能得到氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合陶瓷，其中碳化硅組分占5~20%，氮化硅占 95~80%。
[0004]但是，反應(yīng)燒結(jié)氮化娃結(jié)合碳化娃工藝與反應(yīng)燒結(jié)氮化娃工藝具有相似的特點，這種工藝的產(chǎn)品密度極大地取決于素坯密度，一般都含有較多的氣孔，密度不高，強度不大。目前，反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅的氣孔率可達30%左右，阻礙了該材料的應(yīng)用及發(fā)展。此外，從現(xiàn)在的研宄方法可以看出，現(xiàn)有方法前兩種是直接加入的成品碳化硅粉末，后面一種雖然是利用硅氮化為氮化硅，且同時硅和樹脂中的碳反應(yīng)生成碳化硅，從而獲得反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅材料，但是這一工藝碳化硅的生成量受到有機硅樹脂的含量限制，從而碳化硅組分只占到占5~20%，不能隨意調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅密度低，且其中原位生產(chǎn)碳化硅含量不能隨意調(diào)節(jié)和控制的缺點，而提供一種反應(yīng)燒結(jié)氮化硅和反應(yīng)熔滲碳化硅相結(jié)合的工藝及方法。使用該方法可獲得幾乎致密的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合材料，且氮化硅和碳化硅相對含量可以隨意控制，兩種物相均為原位生成，工藝簡單，適用于工業(yè)規(guī)模。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，它的步驟如下:
(1)將硅粉和石油焦粉末以質(zhì)量比2-6:1均勻混合，加入適量酚醛樹脂，酚醛樹脂的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的10%_50%，壓制成型，烘干，得到還料；
(2)將坯料移入真空爐中，于1310-14101的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)0.5-1.0hr，得到半燒結(jié)制品；
(3)將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，硅粉的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的1-2倍，在1400-1450 °C的條件下保溫0.5-1.0hr ;然后升溫至1550-1650°C氮氣氛下保溫0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。
[0007]所述硅粉的目數(shù)是50-200。
[0008]所述石油焦粉末的目數(shù)是50-200。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用50-200目硅粉和石油焦粉末和少量酚醛樹脂為初始原料，通過坯料低溫氮化法和高溫反應(yīng)熔滲法獲得原位Si4N3-SiC復(fù)合材料，孔隙率小于10%。該法形成復(fù)合材料具有界面清潔，氧含量低，密度高，相組成可以任意變化的特點。該法工藝簡單，可工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。
[0010]通過反應(yīng)燒結(jié)氮化硅工藝和反應(yīng)熔滲碳化硅工藝的組合，得到的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合材料，具有密度高，可達到92%以上，碳化硅相和氮化硅相比例含量可任意變化和控制，而且兩種物相均為原位生成的特點。
【具體實施方式】
[0011]實施例1
粒度為50目的硅粉2.Sg,粒度為100目的石油焦粉1.2g，均勻混合后加入0.2g的酚醛樹脂，并混合均勾。在40X5X5mm的模具內(nèi)壓制成型，后于100°C烘干0.5hr。移入真空燒結(jié)爐中，通入N2，于1380°〇燒結(jié)401^11。
[0012]將上述半燒結(jié)制品取出，再次移入鋪有1.5g硅粉的真空燒結(jié)爐中，在1450°C保溫0.5hr，后升溫至1550°C，通入N2并保溫40min ;然后升溫至1670°C，并抽真空。隨后隨爐冷卻。
[0013]利用水煮法測的復(fù)合材料密度為99%，氣孔率為1%。氧含量為0.05%。原位復(fù)合材料組成為 Si4N3-80%SiC。
[0014]實施例2
粒度為100目的硅粉9.0g,粒度為80目的石油焦粉1.5g，均勻混合后加入0.7g的酚醛樹脂，并混合均勾。在40X5X5mm的模具內(nèi)壓制成型，后于100°C烘干0.5hr。移入真空燒結(jié)爐中，通入N2，于1400°C燒結(jié)40min。
[0015]將上述半燒結(jié)制品取出，再次移入鋪有2.1g硅粉的真空燒結(jié)爐中，在1430°C保溫0.5hr，后升溫至1550°C，通入N2并保溫40min ;然后升溫至1650°C，并抽真空。隨后隨爐冷卻。
[0016]利用水煮法測的復(fù)合材料密度為99.5%，氣孔率為0.5%ο氧含量為0.02%。原位復(fù)合材料組成為Si4N3-40%SiC。
[0017]實施例3
粒度為80目的硅粉2.7g,粒度為80目的石油焦粉1.2g，均勻混合后加入0.23g的酚醛樹脂，并混合均勾。在40X5X5mm的模具內(nèi)壓制成型，后于100°C烘干0.5hr。移入真空燒結(jié)爐中，通入N2，于1380°〇燒結(jié)401^11。
[0018]將上述半燒結(jié)制品取出，再次移入鋪有1.5g硅粉的真空燒結(jié)爐中，在1440°C保溫
0.5hr，后升溫至1550°C，通入N2并保溫40min ;然后升溫至1650°C，并抽真空。隨后隨爐冷卻。
[0019]利用水煮法測的復(fù)合材料密度為99.4%，氣孔率為0.6%ο氧含量為0.04%。原位復(fù)合材料組成為Si4N3-10%SiC。
[0020]實施例4
一種致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，它的步驟如下:
(1)將50目的硅粉和50目的石油焦粉末以質(zhì)量比2:1均勻混合，加入適量酚醛樹脂，酚醛樹脂的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的10%，壓制成型，烘干，得到坯料；
(2)將坯料移入真空爐中，于13101的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)0.5hr，得到半燒結(jié)制品;
(3)將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，硅粉的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的I倍，在1400 °C的條件下保溫0.5 hr;然后升溫至1550 °C氮氣氛下保溫0.5 hr，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。
[0021]實施例5
一種致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，它的步驟如下:
(1)將200目的硅粉和200目的石油焦粉末以質(zhì)量比6:1均勻混合，加入適量酚醛樹月旨，酚醛樹脂的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的50%，壓制成型，烘干，得到坯料；
(2)將坯料移入真空爐中，于1410°C的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)1.0hr，得到半燒結(jié)制品;
(3)將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，硅粉的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的2倍，在14501的條件下保溫1.01!1.;然后升溫至16501氮氣氛下保溫1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。
[0022]實施例6
一種致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，它的步驟如下:
(1)將100目的硅粉和100目的石油焦粉末以質(zhì)量比5:1均勻混合，加入適量酚醛樹月旨，酚醛樹脂的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的20%，壓制成型，烘干，得到坯料；
(2)將坯料移入真空爐中，于1350°C的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)40min，得到半燒結(jié)制品;
(3)將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，硅粉的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的1.5倍，在1420°C的條件下保溫40 min ;然后升溫至1600 °C氮氣氛下保溫40 min，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。
【主權(quán)項】
1.一種致密原位Si 4N3-Sic復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，它的步驟如下: (1)將硅粉和石油焦粉末以質(zhì)量比2-6:1均勻混合，加入適量酚醛樹脂，酚醛樹脂的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的10%_50%，壓制成型，烘干，得到還料； (2)將坯料移入真空爐中，于1310-14101的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)0.5-1.0hr，得到半燒結(jié)制品； (3)將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，硅粉的加入質(zhì)量為石油焦粉末質(zhì)量的1-2倍，在1400-1450 °C的條件下保溫0.5-1.0hr ;然后升溫至1550-1650°C氮氣氛下保溫0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述娃粉的目數(shù)是50-100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述石油焦粉末的目數(shù)是50-100。
【專利摘要】發(fā)明公開了一種致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料的制備方法，它的步驟如下：（1）將硅粉和石油焦粉末以質(zhì)量比2-6:1均勻混合，加入適量酚醛樹脂，壓制成型，烘干，得到坯料；（2）將坯料移入真空爐中，于1310-1410℃的條件下，在氮氣氛下燒結(jié)0.5-1.0 hr，得到半燒結(jié)制品；（3）將半燒結(jié)制品再次移入鋪有真空燒結(jié)爐中，在1400-1450℃的條件下保溫0.5-1.0hr；然后升溫至1550-1650℃氮氣氛下保溫0.5-1.0 hr，得到致密原位Si4N3-SiC復(fù)合材料。本發(fā)明利用50-200目硅粉和石油焦粉末和少量酚醛樹脂為初始原料，通過坯料低溫氮化法和高溫反應(yīng)熔滲法獲得原位Si4N3-SiC復(fù)合材料，孔隙率小于10%。該法形成復(fù)合材料具有界面清潔，氧含量低，密度高，相組成可以任意變化的特點。該法工藝簡單，可工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。
【IPC分類】C04B35-622, C04B35-565, C04B35-584
【公開號】CN104744048
【申請?zhí)枴緾N201510123378
【發(fā)明人】張小立, 穆云超, 張艷麗, 王志新, 孫禮武
【申請人】中原工學(xué)院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月20日