[发明专利]一种碳化硅陶瓷管状制品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化硅陶瓷材料及其制备技术领域，具体为一种高强度、高导热、低膨胀、抗热冲击性能高、外形尺寸可控的碳化硅陶瓷管状制品的制备方法。 

背景技术

碳化硅陶瓷具有热导率高、膨胀系数小、体积密度小、硬度高、耐磨性好以及耐高温、化学稳定性好、强度高等特点，因此适合于高温、腐蚀、氧化的环境，目前，碳化硅陶瓷已研制出的制品如砖、隔焰板、棚板已广泛应用于陶瓷、电瓷、砂轮、冶金等领域。目前，碳化硅陶瓷在应用上面临的两大问题是陶瓷材料的可靠性差和陶瓷的制造成本高。碳化硅陶瓷的工程可靠性在很大程度上取决于其中缺陷的大小和多少，这些缺陷的存在又直接与成型坯体的结构不均匀性相关，坯体结构不均匀现象会导致烧结后制品的更严重不均匀。因此，理想的成型方法及烧结方法应尽可能地减小材料中缺陷的数量和大小，消除或减少密度梯度。另外，碳化硅陶瓷的高硬度给其加工造成了很大困难，尽量减少机械加工的成本也是其应用研究很重要的一个方面。因此，陶瓷材料的成型工艺应向着净尺寸成型方向发展。 

碳化硅陶瓷成型工艺主要有以下几种： 

等静压成形：把水或油作为压力媒体，把粉体充填在橡胶模具中成形。该方法可得到均一密度的坯体，但只能用于数量少的制品，生产效率低，并且成形后要用金刚石等工具进行必要的机械加工，带来的成本较高。 

干式压力成形：用机械压力或油压把充填在模具中的粉末进行成形的方法，对产量大，形状比较简单的制品，是一种好的成形方法，但是原料配制和选择重要且存在难题，否则难以得到均一的密度，造粒原料的流动性和脱模性及模具的设计一直以来都是研究重点。 

泥浆浇铸成形：通常是把粉末分散在水中成为浆料，浇入石膏等的多孔质模具中，模具吸收水份后成形。该种方法比较传统，优点是可对形状较复杂制品进 行成形，缺点是模具成本高，成型后干燥容易开裂，并且效率较低，成本较高。 

挤压成形：是在粉末中加入水和甲基纤维素等有机粘合剂，使之有一定塑性，用活塞式螺杆对其加力，使之在一定力的作用下通过模具，是一种保持模具形状的成形方法。因截面形状相同，可对形状相同、任意长度的制品进行成形，但成形密度低，易留下较大气孔。 

注射模铸成形：是在粉末中加入聚苯乙烯和石蜡等有机粘合剂，经加热混合，注射于模具内，保持模具形状的成形，是一种进行大批量生产或针对复杂制品成形的方法。但粉末成形装置的磨耗大，研磨下的粉末易残留在成形体中，而且由于使用了大量的有机粘合剂，在制品烧结前，要进行脱脂工艺，易使制品产生裂痕。 

热压成型：粉体放在一个有石墨加热器外套的模具中，在加压加热的同时，制作热压制品，用这种方法制成的致密性高，制品有最佳的机械性能。但此方法要耗能、耗料，一般只适合于简单的小型构件。 

热等静压成型：在热压的基础上发展起来的热等静压成型的方法，是在纵型的圆筒状压力容器内装入发热体，构成的加热炉是一种在最高可达200MPa的气体压力情况下，可以将材料加热到2500℃的烧结装置。用此装置可将SiC粉料或SiC坯体热压到密度等于理论密度且有均匀的细粒显微结构、SiC含量超过99.5％的高纯制品。不需要添加任何烧结助剂，但价格比热压法更为昂贵，而且周期作业时间长，工业上大批量生产可能性小。 

碳化硅陶瓷烧结工艺主要有以下几种：其他相结合SiC烧结工艺，即是利用是不同的结合相(粘土、Si₃N₄、Si₃NO₂、氧化物等)使SiC粒子或颗粒在高温下结合在一起的一种烧结方法，SiC相之间结合不牢，只能用来制备低性能的制品； 

反应结合：加热SiC和碳的混合坯体，坯体中的碳与气态硅或液态硅发生反应，生成一种多孔而又纯净的SiC或一种气孔由过量Si所填充的SiC，但反应烧结过程控制起来较为困难，存在死皮的烧结不透现象的，正确选择混合料中的SiC和C的比例关系很是重要，并且C的形态和性质也是影响烧透的关键因素，还需要进一步改进；再有就是无压烧结，原料采用亚微米级的SiC粉，在不施加压力的条件下进行烧结，一般要加入C和B作为烧结助剂，也有加入稀土类元素作为烧结助剂，烧结在惰性气体保护下或在真空中于不低于2000℃的温度下进行，在烧结过程中，会发生SiC的多型转化和晶粒增长，此种工艺控制合理的烧结温度困难， 烧结助剂的选择很是关键，这一种制备性能较低制品的主要方法，但效率较高；热压和高温热等静压工艺，如上所述耗能、耗料，成本太高，且一般只适合于简单的小型构件。