低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法，通过反应烧结法，结合致密化技术，获得低气孔率氮化硅结合碳化硅陶瓷材料，具体制备方法是：(1)将两种粒度的SiC颗粒混合后加入硅溶胶搅拌均匀；(2)添加经过预处理的金属Si粉和SiC粉，将浆料搅拌均匀，静置后加入促凝剂，再次搅拌；(3)将浆料迅速注入模具中，振动成型，干燥后脱模；(4)将制得的素坯在氯化铝溶液中真空浸渍两遍；(5)在氮气气氛下反应烧结，得到反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料；与现有注浆成型技术相比，本发明制备的反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷不需要石膏模具，可在不明显增加生产成本的情况下，显著降低材料的气孔率，提高体积密度。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷与耐火材料技术领域，特别涉及一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法。

背景技术

碳化硅基陶瓷材料是在碳化硅陶瓷基础上发展出的一系列陶瓷材料，其中包括：氧化物结合碳化硅、氮化硅结合碳化硅、Sialon结合碳化硅等一系列高技术陶瓷材料。该系列陶瓷材料具有耐高温、强度高、耐腐蚀、抗热震、抗氧化、耐磨损等一系列优异性能，在冶金、陶瓷、建材、石化、机械、电力电子、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。其中，氮化硅结合碳化硅陶瓷材料利用金属硅粉在氮气中发生氮化反应形成氮化硅，将碳化硅颗粒结合成一体，从而形成交织网络结构的显微组织。其制备工艺简单，投资成本低，适于大规模生产，是市场需求量较大的品种之一。

目前，大型和结构复杂产品一般采用注浆成型法，制品开口气孔率较高、体积密度较低(通常开口气孔率高达18％以上，体积密度在2.50g/cm³以下)，使得产品性能受到严重影响，应用范围受到限制。例如，铝合金铸造用的升液管和其它管道，除耐腐蚀、抗热震等性能要求外，对气密性要求很高，一般要求其开口气孔率小于15％；用于热镀锌行业的氮化硅加热器保护套管，要求开口气孔率也在15％左右，以防止锌合金液的渗透，损坏发热体。因此，如何利用传统生产工艺和设备条件，在不大幅度增加成本的条件下，降低注浆成型氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的显气孔率、提高密度，获得性能优良的材料，对生产厂家和用户都非常具有吸引力。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法，针对注浆成型反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料，首先对原材料进行改性处理，以增加成型过程中材料的稳定性，保证金属Si粉氮化完全；其次对坯体浸渍处理以降低材料的气孔率；最后严格控制氮化烧结制度与气氛，提高氮化率；最终保证了制品的低气孔率和高的体积密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将金属Si粉用盐酸浸泡24小时，用去离子水洗至中性，烘干后备用；

2)将1#SiC粉用去离子水浸泡24小时，烘干后备用；

3)将2#SiC和3#SiC颗粒按比例混合均匀后，外加硅溶胶，搅拌成湿砂料；

4)将处理后的1#SiC粉和金属Si粉按比例干法球磨混合均匀，加入上述湿砂料中，搅拌成均匀浆料，静置30min，加入促凝剂NH₄Cl，搅拌均匀；

5)采用常压注浆方式将步骤4)加入促凝剂搅拌均匀后的浆料迅速注入模具中，将模具放在振动台上，开启振动台，间歇式加料，振动成型；

6)将成型后的试样自然干燥24小时，再在烘箱中于110℃干燥2小时后脱模得到素坯；

7)将制得的素坯放入容器中，并置入真空箱中，抽真空至压力小于-0.1MPa，保持5min；将氯化铝溶液注入容器中，将试样淹没，在真空状态下保持20min后取出容器静置30min；

8)将浸渍后的试样在烘箱中110℃干燥2小时，得到一次浸渍处理的试样；

9)重复7)、8)操作，得到二次浸渍试样；

10)将二次浸渍试样放入可控气氛烧结炉中在氮气气氛下反应烧结。

所述步骤1)中，Si粉的粒度为325目，盐酸浓度为0.1mol/L。

所述步骤2)、3)中，1#SiC粉、2#SiC和3#SiC颗粒的粒度分别为200目、14-30目和80目。

所述步骤3)中，外加硅溶胶的浓度为25wt％。

所述步骤3)中，2#SiC和3#SiC颗粒的质量比为80:20，硅溶胶为外加，加入量占2#SiC和3#SiC颗粒两者总量的20wt％。

所述步骤4)中，处理后的1#SiC粉和金属Si粉的加入量分别为湿砂料的7wt％和16wt％。NH₄Cl的浓度为20wt％，加入量为硅溶胶加入质量的0.7wt％。

所述步骤7)中，氯化铝溶液的浓度为10-20wt％。

所述步骤10)中，通入氮气为高纯流动氮气，炉内保持微正压。最高烧成温度为1420-1450℃，保温时间8-10小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明采用的注浆成型不需要石膏模具，且在不明显增加生产成本的情况下，制备出了一种反应烧结氮化硅结合碳化硅材料，其开口气孔率可以达到13.5％，体积密度可以达到2.70g/cm³。

附图说明

图1是本发明低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备工艺流程图。

图2是样品的X射线衍射图。

图3是样品的显微结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明中，Si粉的粒度为325目，盐酸浓度为0.1mol/L，1#SiC粉、2#SiC和3#SiC颗粒的粒度分别为200目、14-30目和80目。

实施例1：

如图1所示，一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将金属Si粉用浓度为0.1mol/L的盐酸浸泡24小时，用去离子水洗至中性，烘干后备用。

步骤二，将1#SiC粉用去离子水浸泡24小时，烘干后备用。

步骤三，按质量比4:1的比例分别称取将2#和3#SiC颗粒，混合均匀，外加占两者总质量20％的硅溶胶，搅拌成湿砂料。

步骤四，分别按湿砂料的7wt％和16wt％称取处理后的1#SiC粉和金属Si粉，干法球磨混合均匀，加入上述湿砂料中，搅拌均匀成浆料，放置30min，按硅溶胶用量的0.7％加入NH₄Cl，搅拌均匀。

步骤五，采用常压注浆方式将其迅速注入模具中，将模具放在振动台上，开振动台，间歇式加料。

步骤六，将成型后的试样自然干燥24小时，再在烘箱中于110℃干燥2小时后脱模。

步骤七，将制得的素坯放入容器中，置入真空箱中，抽真空至负压-0.1MPa，保持5min，将浓度为20wt％的氯化铝溶液注入容器中，将试样淹没，液面高出试样约2cm，在真空状态下保持20min，取出后常压静置30min。

步骤八，将浸渍后试样在烘箱中110℃干燥2小时，得到一次浸渍处理的试样。

步骤九，重复步骤六和七操作，得到二次浸渍试样。

步骤十，将试样放入可控气氛烧结炉中氮气气氛下反应烧结，最高烧成温度为1420℃，保温时间10小时。

所得到的反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷的X射线衍射分析如图2所示，试样主要包含三个相，SiC是配料中引入的，Si₃N₄是Si粉氮化生成的，而Si₂N₂O则是结合剂参与了Si粉氮化过程和烧结过程而形成的。X射线衍射分析中并未发现残余Si的峰，说明Si几乎完全转化成了Si₃N₄和Si₂N₂O。

低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷的气孔率和体积密度测试采用排水法测试。

所得到的反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷的开口气孔率为13.5％，体积密度为2.70g/cm³。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同的是：最高烧成温度为1450℃。

所得到的反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷的开口气孔率13.8％，体积密度为2.66g/cm³

实施例3：

本实施例与实施例1所不同的是：浸泡素坯用的氯化铝溶液的浓度为10wt％。

所得到的反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷的开口气孔率14.0％，体积密度为2.65g/cm³

用扫描电子显微镜对该样品的显微结构进行分析，如图3所示，黑色者为SiC颗粒，可以看到样品由不同粒度的SiC颗粒形成骨架，而白色者为Si₃N₄基体，充填于SiC骨架之间，包裹着SiC颗粒，形成了良好的结合体。