CN104030686B - 一种高韧性碳化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高韧性碳化硅陶瓷及其制备方法，该高韧性碳化硅陶瓷由3-5％的增韧剂碳化钛、1-4％的烧结助剂和余量碳化硅以及不可避免的杂质组成，其中烧结助剂由质量百分比为1：(0.6-8)的碳和碳化硼组成。其制备方法是先将碳化硅，增韧剂碳化钛，烧结助剂碳和碳化硼混合均匀放入球磨机中，加入水溶性树脂和蒸馏水进行球磨，然后烘干后加入到钢模中压制成型，成型后放入到真空炉内进行烧结，最后进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。本发明在碳化硅基体中加入了增韧剂碳化钛，使碳化硅陶瓷材料的断裂方式从沿晶断裂为主变为以穿晶断裂为主，提高了穿晶以及沿晶断裂所需的能量，从而起到了增强抗折强度的作用。

Description

一种高韧性碳化硅陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷及其制备方法，尤其涉及一种高韧性碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，密封、装甲工业等领域对材料的要求越来越苛刻，迫切需要开发一种新型的高性能材料。而碳化硅陶瓷在常温下具有很高的强度和抗蠕变性，优良的抗氧化性和耐腐蚀性，而且碳化硅陶瓷具有极低的摩擦系数，抗磨损性能非常优异，具有广阔的市场前景。

但是，碳化硅陶瓷脆性较大，断裂韧性较低，常压烧结的碳化硅陶瓷抗折强度一般在400MPa左右，难以满足密封、装甲工业等领域对高韧性、高强度的碳化硅陶瓷的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种高韧性、高抗折强度的碳化硅陶瓷。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高韧性碳化硅陶瓷，所述高韧性碳化硅陶瓷由以下质量百分比成分组成：增韧剂：3-5％，烧结助剂：1-4％，余量为碳化硅以及不可避免的杂质。

由于碳化硅陶瓷脆性较大，断裂韧性较低，常压烧结的碳化硅陶瓷抗折强度只有400MPa左右，不足以满足对碳化硅陶瓷有更高强度需求的领域使用。因此，本发明在碳化硅中加入了3-5％的增韧剂，对碳化硅的韧性进行改性，从而提高碳化硅的抗折强度。但是，又因为碳化硅是强共价键化合物，而且在高温下仍能保持很高的键合强度，它的自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时晶界能与粉末表面能的比值比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力较小。因此，本发明加入少量烧结助剂，在高温烧结过程中提高表面能，促使产品烧结成致密体。

作为优选，所述增韧剂为碳化钛。碳化硅陶瓷基体材料的断口大多为沿晶断裂，而加入增韧剂碳化钛后，碳化钛均匀分布在碳化硅陶瓷基体晶粒内，部分位于晶界处，形成“晶内形”和“晶间形”混合分布。由于部分碳化钛位于晶粒内，在晶粒内产生张应力，易于产生亚晶界，其断裂方式大多为穿晶断裂。由此可见，在碳化硅陶瓷基体中加入碳化钛，通过碳化钛颗粒的弥散，形成“晶内形”和“晶间形”混合形分布，使碳化硅陶瓷材料的断裂方式从沿晶断裂为主变为以穿晶断裂为主，增强了晶界的强度，提高了穿晶以及沿晶断裂所需的能量，从而起到了增强抗折强度的作用。此外，裂纹在碳化硅陶瓷基体中扩展时，颗粒产生的残余应力会改变裂纹的传播途径，使裂纹偏折。

作为优选，所述烧结助剂包括碳和碳化硼，所述碳、碳化硼的质量百分比为1：(0.6-8)。由于碳化硅中的高共价键性及低扩散性使其在没有烧结助剂的情况下难以烧结。所以，本发明加入少量由碳和碳化硼混合而成的烧结助剂，在高温烧结过程中提高粉体表面能促使烧结致密。

作为优选，所述碳化硅粒径为0.3-2μm，所述增韧剂碳化钛粒径为1-3μm，所述烧结助剂碳和碳化硼的粒径为1-5μm。本发明选取的碳化硅、增韧剂和烧结助剂粒径都是微米级的，因此，可以保证碳化硅陶瓷烧结后的晶粒度，有利于提高碳化硅陶瓷的体积密度和力学强度。

本发明的另一个目的在于提供上述高韧性碳化硅陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、按质量百分比称取碳化硅，增韧剂碳化钛，烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀；

S2、将上述混合均匀的粉料放入球磨机中，加入1-6％的水溶性树脂，80％-140％的蒸馏水进行球磨；

S3、用蒸汽干燥箱将上述球磨好的粉料烘干，烘干后将粉料加入到钢模中，加压到150-250MPa/cm²压制成型，压制时间为1-10s；

S4、将上述压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度为2100-2200℃，保温时间为1-3小时；

S5、将上述烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

作为优选，步骤S2中球磨的球料比为3:1，球磨时间为2h。

作为优选，步骤S3中压制压力为150-200MPa/cm²，压制时间为2-5s。

作为优选，步骤S4中烧结温度为2150℃，保温时间为1-2小时。

本发明高韧性碳化硅陶瓷的制备方法简单，而且本发明严格控制球磨、压制成型和烧结等过程中的参数条件，保证最终制得的碳化硅陶瓷产品的强度、抗蠕变性、抗氧化性、抗磨损性和耐腐蚀性等力学性能优良。

本发明具有以下优点：

1.本发明高韧性碳化硅陶瓷在碳化硅基体中，加入了3-5％的增韧剂碳化钛，通过碳化钛颗粒的弥散，形成“晶内形”和“晶间形”混合形分布，使碳化硅陶瓷材料的断裂方式从沿晶断裂为主变为以穿晶断裂为主，增强了晶界的强度，提高了穿晶以及沿晶断裂所需的能量，从而起到了增强抗折强度的作用。

2.本发明高韧性碳化硅陶瓷还在基体中加入了由一定比例碳和碳化硼组成的烧结助剂，在高温烧结过程中提高粉体表面能促使烧结成致密体。

3.本发明高韧性碳化硅陶瓷原料粒径小，烧结后可以保证碳化硅陶瓷的晶粒度，有利于提高碳化硅陶瓷的体积密度和力学强度。

4.本发明高韧性碳化硅陶瓷的制备方法简单，通过严格控制制备过程中的条件参数，使最终制得的碳化硅陶瓷产品强度大、抗蠕变性、抗氧化性、抗磨损性和耐腐蚀性等力学性能优良。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

表1：本发明实施例1-4高韧性碳化硅陶瓷的

组成成分及其质量百分比

实施例1：

按表1中实施例1高韧性碳化硅的组成成分及其质量百分比称取粒径为0.3-0.6μm的碳化硅、1-1.5μm的碳化钛，1-2μm的烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀。混合均匀后放入球磨机中，控制球料比为3:1，并加入3％的水溶性树脂，80％的蒸馏水进行球磨2h。球磨结束后用蒸汽干燥箱将粉料烘干，然后加入到钢模中，加压到150MPa/cm²压制成型，压制时间控制为4s。然后将压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度控制为2130℃，保温时间为3小时。最后将烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

实施例2：

按表1中实施例2高韧性碳化硅的组成成分及其质量百分比称取粒径为0.6-1.0μm的碳化硅、1.3-1.6μm的碳化钛，1.5-2.5μm的烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀。混合均匀后放入球磨机中，控制球料比为3:1，并加入4％的水溶性树脂，100％的蒸馏水进行球磨2h。球磨结束后用蒸汽干燥箱将粉料烘干，然后加入到钢模中，加压到180MPa/cm²压制成型，压制时间控制为2s。然后将压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度控制为2150℃，保温时间为2小时。最后将烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

实施例3：

按表1中实施例3高韧性碳化硅的组成成分及其质量百分比称取粒径为0.8-1.3μm的碳化硅、1.5-2μm的碳化钛，2-2.5μm的烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀。混合均匀后放入球磨机中，控制球料比为3:1，并加入5％的水溶性树脂，120％的蒸馏水进行球磨2h。球磨结束后用蒸汽干燥箱将粉料烘干，然后加入到钢模中，加压到160MPa/cm²压制成型，压制时间控制为3s。然后将压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度控制为2160℃，保温时间为2小时。最后将烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

实施例4：

按表1中实施例4高韧性碳化硅的组成成分及其质量百分比称取粒径为1.0-1.6μm的碳化硅、2.0-2.5μm的碳化钛，3-4μm的烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀。混合均匀后放入球磨机中，控制球料比为3:1，并加入6％的水溶性树脂140％的蒸馏水进行球磨2h。球磨结束后用蒸汽干燥箱将粉料烘干，然后加入到钢模中，加压到150MPa/cm²压制成型，压制时间控制为6s。然后将压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度控制为2180℃，保温时间为1小时。最后将烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

将上述实施例1-4制得的本发明高韧性碳化硅陶瓷进行性能测试，测试结果如表2所示。

从表2可以看出，本发明制得的高韧性碳化硅陶瓷体积密度在3.1-3.3g/cm³之间，致密性高，而且加入增韧剂碳化钛后，碳化硅陶瓷的抗折强度从400MPa左右提高到480MPa以上，强度提高非常明显，而且碳化硅陶瓷的肖氏硬度、压缩强度、弹性模量和热膨胀系数都有所改善，从而使碳化硅陶瓷的耐腐蚀、耐磨和热稳定性有所提高。因此，本发明高韧性碳化硅陶瓷的性能提升非常大，足以满足密封、装甲工业等领域对高韧性、高强度的碳化硅陶瓷的需求，填补市场上高韧性、高强度碳化硅陶瓷产品的空缺，发展前景非常广阔。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (5)

1.一种高韧性碳化硅陶瓷，其特征在于，所述高韧性碳化硅陶瓷由以下质量百分比成分组成：增韧剂：3-5％，烧结助剂：1-4％，余量为碳化硅以及不可避免的杂质；其中，所述烧结助剂包括碳和碳化硼，所述碳、碳化硼的质量百分比为3:0.4、3:0.6、2.5:1.0或3.0:0.8中的任一，粒径均为1-5μm；所述增韧剂为碳化钛，粒径为1-3μm；所述碳化硅粒径为0.3-2μm。

2.一种如权利要求1所述的高韧性碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、按质量百分比称取碳化硅，增韧剂碳化钛，烧结助剂碳和碳化硼并混合均匀；

S2、将上述混合均匀的粉料放入球磨机中，加入1-6％的水溶性树脂，80％-140％的蒸馏水进行球磨；

S3、用蒸汽干燥箱将上述球磨好的粉料烘干，烘干后将粉料加入到钢模中，加压到150-250MPa/cm²压制成型，压制时间为1-10s；

S4、将上述压制成型后的素坯放入到真空炉内烧结，烧结温度为2100-2200℃，保温时间为1-3小时；

S5、将上述烧结后的素坯进行表面研磨加工后制得最终产品高韧性碳化硅陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种高韧性碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S2中球磨的球料比为3:1，球磨时间为2h。

4.根据权利要求2所述的一种高韧性碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S3中压制压力为150-200MPa/cm²，压制时间为2-5s。

5.根据权利要求2所述的一种高韧性碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤S4中烧结温度为2150℃，保温时间为1-2小时。