一種高韌性碳化硅陶瓷及其低溫?zé)Y(jié)工藝的制作方法
【專利說明】一種高韌性碳化硅陶瓷及其低溫?zé)Y(jié)工藝
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種陶瓷材料及其制備方法，特別是一種高韌性碳化硅陶瓷及其低溫?zé)Y(jié)工藝。
【背景技術(shù)】
[0003]碳化硼(B4C)是一種不固定化學(xué)配比共價(jià)鍵化合物，具有開放多型晶體結(jié)構(gòu)。其比重輕、強(qiáng)度大、硬度僅次于金剛石和立方氮化硼、熔點(diǎn)高、中子吸收性強(qiáng)。上述特點(diǎn)使碳化硼陶瓷成為潛在重要結(jié)構(gòu)候選材料，尤其適合用作輕裝甲和核反應(yīng)堆屏蔽材料。碳化硼是性能極為優(yōu)異的材料，但因?yàn)槠涔矁r(jià)鍵結(jié)構(gòu)，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)極為困難。傳統(tǒng)的碳化硼陶瓷大都通過溫度高達(dá)2200°C?2300°C熱壓、熱等靜壓和常規(guī)燒結(jié)獲得。熱壓燒結(jié)的溫度需在2000°C以上，熱壓設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易控制；熱壓制品形狀單一，熱壓燒結(jié)陶瓷不易實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品報(bào)廢率高，能耗高，對(duì)裝備的技術(shù)要求很高，直接造成生產(chǎn)成本居高不下。而熱壓和熱等靜壓技術(shù)還只是人們探索新材料的一種研宄手段而已，基本不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種高韌性碳化硅陶瓷及其低溫?zé)Y(jié)工藝，通過在陶瓷中添加的YAG粉體，實(shí)現(xiàn)陶瓷在低溫條件下燒結(jié)，陶瓷材料結(jié)構(gòu)致密，致密度達(dá)到98%以上，并具有良好的斷裂韌性，斷裂強(qiáng)度提升至6.5MPa以上，并且具有生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備要求較傳統(tǒng)工藝降低，能耗明顯降低的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的原料組成包括(以重量份數(shù)計(jì)):α -碳化硅100份；碳化硼0.3-1.2份；YAG粉3-10份，其中YAG粉的粒度為D50彡6.0微米。本發(fā)明通過在碳化硅陶瓷中采用YAG粉體為原料的一種，而無需對(duì)YAG進(jìn)行預(yù)先處理，利用YAG的優(yōu)良的燒結(jié)性能，從而可以明顯地降低陶瓷燒結(jié)溫度，降低陶瓷生產(chǎn)的設(shè)備要求和能耗(在高溫狀態(tài)下每提高一度都需要提供更為巨量的能源，這是公知)，并且形成液相燒結(jié)，有助于降低孔隙率，提高致密度機(jī)械性能。
[0007]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的一種改進(jìn)，α -碳化硅的粒度為D50 < 0.5微米。
[0008]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的一種改進(jìn)，碳化硼的粒度為D50 ( 3.0微米。
[0009]本發(fā)明通過采用不同粒度的原材料，原料的熔點(diǎn)越高其相應(yīng)的粒度則越小，從而達(dá)到平衡粒度對(duì)粉末材料熔融的影響以及材料熔點(diǎn)之間的關(guān)系，從而促進(jìn)液相燒結(jié)界面液相的形成，不僅僅提高了燒結(jié)效率，還有利于提高原料的均化效率和致密度，減少孔隙缺陷的出現(xiàn)，從而提尚機(jī)械性能和廣品的合格率。
[0010]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的一種改進(jìn)，原料經(jīng)水基球磨制備，其中水基球磨時(shí)添加占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)16-20%的PVA水溶液，PVA水溶液的濃度為10 (wt)%。本改進(jìn)通過添加適量的PVA水溶液，不僅僅可以起到粘結(jié)劑的作用，還可以在在一定程度上作為碳源，而且PVA作為一種極性材料，溶于水溶液，對(duì)環(huán)境污染小，易降解，并且與陶瓷原材料表面具有良好的親和力，改善研磨時(shí)各原料粉體之間的相容性，促進(jìn)材料粉體互容均化。
[0011]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的一種改進(jìn)，原料經(jīng)水基球磨制備，其中水基球磨時(shí)還添加占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.05-0.5%的分散劑。
[0012]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝，低溫?zé)Y(jié)工藝包括如下步驟:混料球磨、噴霧干燥、干壓成型、低溫?zé)Y(jié)，
其中低溫?zé)Y(jié)為在高溫真空爐內(nèi)氬氣保護(hù)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1850-1900°C，爐內(nèi)溫度達(dá)到燒結(jié)溫度后保溫?zé)Y(jié)時(shí)間為l_2h，氬氣在高溫真空爐預(yù)熱至1500°C時(shí)充入。這里在低于1500°C的低溫下燒結(jié)時(shí)采用真空燒結(jié)，有利于促進(jìn)坯料中揮發(fā)分(包括成型劑)的揮發(fā)，從而有利于避免形成孔洞缺陷，有利于形成致密結(jié)構(gòu)，過早充入則會(huì)影響揮發(fā)分的揮發(fā)還會(huì)帶走熱量增加燒結(jié)成本；而在1500°C以上的高溫環(huán)境下沖入氬氣，可以在爐體內(nèi)形成熱循環(huán)，促進(jìn)熱量傳遞，保證爐體內(nèi)溫度均勻一致，提高燒結(jié)效率，有利于產(chǎn)品的燒結(jié)直迷糊。同時(shí)有利于保護(hù)爐膛，延長使用壽命。
[0013]本發(fā)明通過采用低溫?zé)Y(jié)工藝，在陶瓷的燒結(jié)溫度上得到顯著的降低，從而不僅僅能夠節(jié)約燒結(jié)能源，降低能耗，在1900°C的超高溫環(huán)境下，每提高一度都需要額外提供巨量的熱量，降低對(duì)設(shè)備的要求(超高溫設(shè)備的成本同樣高昂)，同時(shí)還具有燒結(jié)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝的一種改進(jìn)，混料球磨為將原料α -碳化硅、碳化硼、YAG粉混合后，進(jìn)行水基球磨，球磨漿料濃度為(以固形物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì))45-50%，球磨時(shí)間l-3h。
[0015]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝的一種改進(jìn)，混料球磨時(shí)，球磨漿料中還添加有占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.05-0.5%的分散劑。
[0016]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝的一種改進(jìn)，干壓成型為將噴霧干燥得到的粒度D50為0.10-0.20mm的造粒料，在150-200MPA壓力干壓成型。
[0017]本申請(qǐng)采用液相燒結(jié)技術(shù)，以一定數(shù)量的多元低共熔氧化物為燒結(jié)助劑(本申請(qǐng)為YAG粉)，在高溫下形成液相，使體系的傳質(zhì)方式由擴(kuò)散傳質(zhì)變?yōu)檎承粤鲃?dòng)，降低了致密化所需能力和燒結(jié)溫度，使得碳化硅陶瓷的燒結(jié)溫度由2000°C降低至1850-1900°C，從而明顯地降低燒結(jié)對(duì)設(shè)備的要求和能耗，并且能夠極大地降低氣孔率和晶粒尺寸，提升陶瓷致密度至98%以上。同時(shí)本發(fā)明燒結(jié)工藝導(dǎo)致陶瓷材料組織結(jié)構(gòu)上的變化，使得晶粒組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＜?xì)小、均勻量等軸晶狀，同時(shí)在陶瓷組織中引入晶界液相和界面結(jié)合弱化，使得本發(fā)明陶瓷材料的斷裂變?yōu)橥耆鼐嗔涯Ｊ?，從而顯著地提高了材料的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)無原料單質(zhì)硅，在陶瓷中不存在游離硅，故而應(yīng)用范圍廣，耐腐蝕性好。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解下述【具體實(shí)施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0020]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的原料組成包括(以重量份數(shù)計(jì)):α -碳化硅100份；碳化硼0.3-1.2份；YAG粉3-10份，其中YAG粉的粒度為D50彡6.0微米。本發(fā)明通過在碳化硅陶瓷中采用YAG粉體為原料的一種，而無需對(duì)YAG進(jìn)行預(yù)先處理，利用YAG的優(yōu)良的燒結(jié)性能，從而可以明顯地降低陶瓷燒結(jié)溫度，降低陶瓷生產(chǎn)的設(shè)備要求和能耗(在高溫狀態(tài)下每提高一度都需要提供更為巨量的能源，這是公知)，并且形成液相燒結(jié)，有助于降低孔隙率，提高致密度機(jī)械性能。
[0021]作為一種優(yōu)選，α -碳化硅的粒度為D50 ^ 0.5微米。
[0022]作為一種優(yōu)選，碳化硼的粒度為D50 ( 3.0微米。
[0023]本發(fā)明通過采用不同粒度的原材料，原料的熔點(diǎn)越高其相應(yīng)的粒度則越小，從而達(dá)到平衡粒度對(duì)粉末材料熔融的影響以及材料熔點(diǎn)之間的關(guān)系，從而促進(jìn)液相燒結(jié)界面液相的形成，不僅僅提高了燒結(jié)效率，還有利于提高原料的均化效率和致密度，減少孔隙缺陷的出現(xiàn)，從而提尚機(jī)械性能和廣品的合格率。
[0024]作為一種優(yōu)選，原料經(jīng)水基球磨制備，其中水基球磨時(shí)添加占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)16-20%的PVA水溶液，PVA水溶液的濃度為10 (wt) %。本改進(jìn)通過添加適量的PVA水溶液，不僅僅可以起到粘結(jié)劑的作用，還可以在在一定程度上作為碳源，而且PVA作為一種極性材料，溶于水溶液，對(duì)環(huán)境污染小，易降解，并且與陶瓷原材料表面具有良好的親和力，改善研磨時(shí)各原料粉體之間的相容性，能夠有效保障粉體在漿料中分散的均勻性，促進(jìn)材料粉體互容均化，同時(shí)PVA的揮發(fā)分少，對(duì)燒結(jié)有利。
[0025]作為一種優(yōu)選，原料經(jīng)水基球磨制備，其中水基球磨時(shí)還添加占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.05-0.5%的分散劑。
[0026]本發(fā)明公開的高韌性碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝，低溫?zé)Y(jié)工藝包括如下步驟:混料球磨、噴霧干燥、干壓成型、低溫?zé)Y(jié)，
其中低溫?zé)Y(jié)為在高溫真空爐內(nèi)氬氣保護(hù)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1850-1900°C，爐內(nèi)溫度達(dá)到燒結(jié)溫度后保溫?zé)Y(jié)時(shí)間為l_2h，氬氣在高溫真空爐預(yù)熱至1500°C時(shí)充入。
[0027]本發(fā)明通過采用低溫?zé)Y(jié)工藝，在陶瓷的燒結(jié)溫度上得到顯著的降低，從而不僅僅能夠節(jié)約燒結(jié)能源，降低能耗，在1900°C的超高溫環(huán)境下，每提高一度都需要額外提供巨量的熱量，降低對(duì)設(shè)備的要求(超高溫設(shè)備的成本同樣高昂)，同時(shí)還具有燒結(jié)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0028]作為一種優(yōu)選，混料球磨為將原料α -碳化硅、碳化硼、YAG粉混合后，進(jìn)行水基球磨，球磨漿料濃度為(以固形物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì))45-50%，球磨時(shí)間l-3h。
[0029]作為一種優(yōu)選，混料球磨時(shí)，球磨漿料中還添加有占原料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.05-0.5%的分散劑。
[0030]作為一種優(yōu)選，干壓成型為將噴霧干燥得到的粒度D50為0.10-0.20mm的造粒料，在150-200MPA壓力干壓成型。
[0031]本發(fā)明同一技術(shù)方案中每一重量份均采用統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)量，如克、千克以及噸等。
[0032]實(shí)施例1
本實(shí)施例中，陶瓷的原料組成為α -碳化硅100份；碳化硼0.3份；YAG粉5份，其中YAG粉的粒度為D50 ^ 6.0微米，上述原料經(jīng)混料球磨、噴霧干燥、干壓成型、低溫?zé)Y(jié)等工藝后得到燒結(jié)陶瓷，