一種增韌碳化硅棚板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性好、抗熱震性能優(yōu)異的增韌碳化硅棚板及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅基體由于具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐磨性和優(yōu)異的高溫性能，故以 碳化硅為基體的棚板也得到了廣泛的使用，而碳化硅棚板使用過(guò)程中的熱脹冷縮，容易造 成斷裂或裂縫。
[0003] 碳化硅棚板在燒制過(guò)程中存在以下缺陷：1)由于體積密度不夠，氣孔率偏大，往往 容易形成最低共熔物并造成粘瓷和表面色斑；2)高溫抗折強(qiáng)度不高，在較高溫度、較大負(fù)荷 情況下，棚板變形度大，既影響產(chǎn)品的燒造，又大大縮短了棚板的使用壽命；3)由于抗熱震 性和高溫韌性不夠，故在快速燒成、急冷急熱的窯中，棚板容易在薄弱部斷裂，尤其是在收 縮縫位開(kāi)裂，或角邊部斷裂。
[0004] 2004年英國(guó)曼徹斯頓大學(xué)的Geim和Novoselov通過(guò)膠帶剝離高定向石墨獲得了 獨(dú)立存在的二維石墨?。℅ra_phene，GN)晶體以來(lái)，石墨稀已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域極受關(guān)注 的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯，實(shí)際上就是單原子層的石墨，它擁有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力 學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性能。
[0005] 石墨烯是目前世界上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，至吸 收2. 3%的光，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?k，高于碳納米管和金剛石。石墨稀是一種由碳原子 構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，具有強(qiáng)度高，比表面積大，高化學(xué)反應(yīng)活性，高填充性的特 點(diǎn)。
[0006] 中國(guó)專(zhuān)利公布號(hào)CN101928117A，公布日2010年12月29日，名稱(chēng)為鑄造碳化硅，該 申請(qǐng)案的主要原料為黑碳化硅晶粒、雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂及添加劑，經(jīng)過(guò)真空伴熱混合、真空 澆鑄、預(yù)固化、脫模、固化、工件機(jī)加工。其不足之處在于，由于體積密度不夠，氣孔率偏大， 往往容易形成最低共熔物并造成粘瓷和表面色斑；高溫抗折強(qiáng)度不高，在較高溫度、較大負(fù) 荷情況下，棚板變形度大，既影響產(chǎn)品的燒造，又大大縮短了棚板的使用壽命；由于抗熱震 性和高溫韌性不夠，故在快速燒成、急冷急熱的窯中，棚板容易在薄弱部斷裂，尤其是在收 縮縫位開(kāi)裂，或角邊部斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有碳化硅棚板抗熱震性和高溫韌性不夠，故在快速 燒成、急冷急熱的窯中，棚板容易在薄弱部斷裂，尤其是在收縮縫位開(kāi)裂，或角邊部斷裂的 缺陷而提供一種高強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性好、抗熱震性能優(yōu)異的增韌碳化硅棚板。
[0008] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了提供該增韌碳化硅棚板的制備方法。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種增韌碳化硅棚板，所述增韌碳化硅棚板由以下質(zhì)量百分比的原料組成：碳化硅顆 粒30-40%、碳化硅粗粉15-20%、碳化硅細(xì)粉14-19%、碳化硅微粉5-10%、石墨烯10-15%、復(fù)合 抗氧化劑2-4%、復(fù)合結(jié)合劑6-8%、松香末0. 2-0. 5%與SiAlONO. 7-1. 5%。在本技術(shù)方案中， 石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，具有強(qiáng)度高、比表面積大、高化學(xué) 反應(yīng)活性、高填充性的特點(diǎn)；在增韌碳化硅棚板中加入石墨烯使得增韌碳化硅棚板內(nèi)部接 觸更加緊密，從而減小燒成時(shí)因膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，防止制品疏松或開(kāi)裂；石墨烯的高強(qiáng)度保 證了增韌碳化硅棚板的優(yōu)良的力學(xué)性能，同時(shí)可以提升增韌碳化硅棚板的抗酸堿腐蝕性能 與抗氧化性能。松香可增加碳化硅棚板的彈性，增加其韌性。
[0010] 抗熱震性能優(yōu)良，抗氧化、抗熔渣、堿金屬侵蝕性能強(qiáng)，耐沖刷、隔熱保溫性能優(yōu) 異、高溫體積穩(wěn)定性好的輕質(zhì)硅磚；可以在棚板內(nèi)部高度均勻分散，促進(jìn)燒結(jié)，并使得棚板 具有更均勻的組織結(jié)構(gòu)，提高制品的強(qiáng)度和抗熱震性能。
[0011] 作為優(yōu)選，所述復(fù)合抗氧化劑由抗氧劑1010、抗氧劑DLTP與蜂蜜組成，其質(zhì)量比 為2:2:5。在本技術(shù)方案中，蜂蜜本身具有抗氧化性，抗氧劑1010、抗氧劑DLTP的結(jié)合具有 協(xié)同作用，而蜂蜜在復(fù)合抗氧化劑中又起到了潤(rùn)滑劑的效果，使得抗氧化劑性能更佳。
[0012] 作為優(yōu)選，所述結(jié)合劑為糠醛樹(shù)脂、海藻提取物與聚丙烯酰胺的混合物，糠醛樹(shù) 月旨、海藻提取物與聚丙烯酰胺的質(zhì)量比為5:2:1。
[0013] 作為優(yōu)選，海藻提取物的制備方法如下：1)清洗：海藻原料用45-50°C的自來(lái)水浸 泡2-3小時(shí)，然后清洗干凈； 2) 粉碎、離心：清洗干凈的海藻，真空破碎，加入海藻體積30倍的乙醇與丁二酯溶液浸 泡并煮沸，乙醇與丁二酯的體積比為1: 1，然后離心分離去渣得海藻清液，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為 4000~6000rpm，離心時(shí)間為 15_20min; 3) 納濾：將海藻清液用5-10倍體積的純水稀釋?zhuān)缓笥眉{濾膜進(jìn)行透析濃縮，海藻 清液透析濃縮至稀釋前體積的〇. 1-0. 2倍得納濾濃縮液，所述納濾膜的截留分子量為 600-700Da； 4) 濃縮干燥：納濾濃縮液進(jìn)一步真空濃縮至固形物含量為40-60%，然后在噴霧干燥器 中噴霧干燥得含水量2-3%的粉末狀海藻提取物。
[0014] 作為優(yōu)選，復(fù)合抗氧化劑是將抗氧劑1010、抗氧劑DLTP在蜂蜜中混合，然后在 60-70°C下水浴超聲分散2-5小時(shí)得到。
[0015] 作為優(yōu)選，碳化硅顆粒的粒徑為1-3厘米，碳化硅粗粉0. 5-15毫米，碳化硅細(xì)粉 0. 2-12微米、碳化硅微粉10-100納米。
[0016] -種增韌碳化硅棚板的制備方法，所述制備方法包括以下步驟： a) 選料：選取碳化娃顆粒的粒徑為1-3厘米，碳化娃粗粉0. 5-15毫米，碳化娃細(xì)粉 0. 2-12微米，碳化硅微粉10-100納米，松香末過(guò)400目篩； b) 按照配方重量百分比稱(chēng)重，將碳化硅顆粒、碳化硅粗粉、碳化硅細(xì)粉、碳化硅微粉、石 墨烯、復(fù)合抗氧化劑、復(fù)合結(jié)合劑、松香末混合攪拌，得到混合粉料； c) 將步驟b)得到的混合粉料采用振動(dòng)成型壓力機(jī)進(jìn)行壓制成型，得到碳化硅素坯； d) 將步驟c)得到的碳化硅素坯在280-320°C下干燥1-3小時(shí)，然后在65-85°C下繼續(xù) 干燥12-24小時(shí)； e) 將步驟d)處理后的碳化硅素坯在真空爐內(nèi)燒制，溫度2100-2300°C，時(shí)間5-10小時(shí)， 然后在1750-1850°C下保溫12-16小時(shí)，冷卻得到碳化硅棚板半成品； f)使用等離子噴射技術(shù)將SiAlON噴涂至步驟e)得到的碳化硅板半成品的表面，厚度 0. 5-0. 8微米，得到增韌碳化硅棚板。在本技術(shù)方案中，在碳化硅棚板表面噴涂SiAlON以形 成一層致密的保護(hù)膜，進(jìn)一步提升碳化硅棚板的抗侵蝕性，抗氧化性，抗熱沖擊性。
[0017] SiAlON材料的熱膨脹系數(shù)低，具有較高的韌性和熱導(dǎo)性，高溫強(qiáng)度高，在使用過(guò)程 中不易產(chǎn)生熱應(yīng)力，制得的增韌碳化硅棚板的抗熱沖擊能力優(yōu)異，抗熱震性能檢測(cè)采用國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)1KKTC水冷實(shí)驗(yàn)，經(jīng)水冷循環(huán)50-60次后，增韌碳化硅棚板在水冷端出現(xiàn)少量微裂 紋。
[0018] 作為優(yōu)選，等離子噴射技術(shù)的工藝參數(shù)為：氬氣壓力〇? 85-0. 95Mpa，氮?dú)鈮毫?0? 45-0. 60Mpa，電壓 90-120V，電流 700-850A，噴涂距離 160-200 毫米。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明產(chǎn)品抗熱震性能優(yōu)良，抗氧化、抗熔渣、堿金屬侵蝕 性能強(qiáng)，耐沖刷、隔熱保溫性能優(yōu)異、高溫體積穩(wěn)定性好的輕質(zhì)硅磚；可以在棚板內(nèi)部高度 均勻分散，促進(jìn)燒結(jié)，并使得棚板具有更均勻的組織結(jié)構(gòu)，提高制品的強(qiáng)度和抗熱震性能。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋?zhuān)⒎菍?duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0021] 碳化硅顆粒的粒徑為1-3厘米，碳化硅粗粉0. 5-15毫米，碳化硅細(xì)粉0. 2-12微 米、碳化娃微粉10-100納米。
[0022] 實(shí)施例1 一種增韌碳化硅棚板的制備方法，所述制備方法包括以下步驟： a) 選料：選取碳化娃顆粒的粒徑為1-3厘米，碳化娃粗粉0. 5-15毫米，碳化娃細(xì)粉 0. 2-12微米，碳化硅微粉10-100納米，松香末過(guò)400目篩； b) 按照配方重量百分比稱(chēng)重，將碳化硅顆粒、碳化硅粗粉、碳化硅細(xì)粉、碳化硅微粉、石 墨烯、復(fù)合抗氧化劑、復(fù)合結(jié)合劑、松香末混合攪拌，得到混合粉料；所述復(fù)合抗氧化劑由抗 氧劑1010、抗氧劑DLTP與蜂蜜組成，其質(zhì)量比為2:2:5 ; 復(fù)合抗氧化劑是將抗氧劑1010、抗氧劑DLTP在蜂蜜中混合，然后在60°C下水浴超聲分 散2小時(shí)得到； 結(jié)合劑為糠醛樹(shù)脂、海藻提取物與聚丙烯酰胺的混合物，糠醛樹(shù)脂、海藻提取物與聚丙 烯酰胺的質(zhì)量比為5:2:1 ; 海藻提取物的制備方法如下：1)清洗：海藻原料用45-50°C的自來(lái)水浸泡2小時(shí)，然后 清洗干凈；2)粉碎、離心：清洗干凈的海藻，真空破碎，加入海藻體積30倍的乙醇與丁二酯 溶液浸泡并煮沸，乙醇與丁二酯的體積比為1:1，然后離心分離去渣得海藻清液，離心機(jī)的 轉(zhuǎn)速為4000rpm，離心時(shí)間為15min;3)納濾：將海藻清液用5倍體積的純水稀釋?zhuān)缓笥?納濾膜進(jìn)行透析濃縮，海藻清液透析濃縮至稀釋前體積的〇. 1倍得納濾濃縮液，所述納濾 膜的截留分子量為600-700Da;4)濃縮干燥：納濾濃縮液進(jìn)一步真空濃縮至固形物含量為 40%，然后在噴霧干燥器中噴霧干燥得含水量2%的粉末狀海藻提取物； c) 將步驟b)得到的混合粉料采用振動(dòng)成型壓力機(jī)進(jìn)行壓制成型，得到碳化硅素坯； d) 將步驟c)得到的碳化硅素坯在280°C下干燥1小時(shí)，然后在65°C下繼續(xù)干燥12小 時(shí)； e) 將步驟d)處理后的碳化硅素坯在真空爐內(nèi)燒制，溫度2100°C，時(shí)間5小時(shí)，然后在 1750°C下保溫12小時(shí)，冷卻得到碳化硅棚板半成品； f)使用等離子噴射技術(shù)將SiAlON噴涂至步驟e)得到的碳化硅板半成品的表面，厚度 0. 5-0. 8微米，得到增韌碳化硅棚板；等離子噴射技術(shù)的工藝參數(shù)為：氬氣壓力0. 85Mpa，氮 氣壓力為〇? 45Mpa，電壓90V，電流700A，噴涂距離160毫米。
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