[发明专利]非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)陶瓷具有很多优点，如质轻、高强、硬度大、耐高温、抗蠕变、抗热震、耐腐蚀、耐磨损、低的热膨胀系数以及良好的热传导性能和抗热震性能等，广泛应用于冶金、机械、化工、国防、电子、能源、环保等许多高新技术领域和高温领域应用中的首选高温结构材料。但是，碳化硅是Si-C之间化学力很强的一种共价键极强的化合物，晶格缺陷少，原子扩散系数很低，从而导致烧结过程中原子扩散速率很低，因此纯碳化硅很难烧结致密，通常需要借助高温、热压或添加烧结助剂等方法。

最初，研究学者采用热压法或无压法，通过固相烧结和液相烧结机理制备碳化硅。固相烧结碳化硅(通常以B、C等为添加剂)过程中烧结温度范围为2000～2200℃，液相烧结碳化硅(通常以Al₂O₃-Y₂O₃等为添加剂)过程中烧结温度范围为1700～2000℃。以上烧结方法存在明显的不足：1)高温条件下烧结生产成本高，不利于产业化；2)引入的添加剂通常以第二相残留在陶瓷基体中，不利于陶瓷的高温力性能。随后，研究学者发明了先驱体转化法制备碳化硅陶瓷，首先合成有机先驱体，然后经过缓慢裂解实现材料的陶瓷化，从而获得碳化硅陶瓷材料。先驱体转化法虽然解决了烧结温度高、添加剂导致力学性能下降的问题，但是存在以下缺点：1)步骤复杂，工艺难于控制，合成环境要求严格；2)产率不够高，一般为60～80％，单次合成量少；3)采用裂解方法无法实现碳化硅陶瓷的致密化，孔隙率较高，相对密度远低于90％，不能有效满足实际使用要求；4)有机合成的原料价格较高。尽管有超高压烧结碳化硅块体陶瓷的相关研究报道，但是研究中都是以微米级或者纳米级的晶态SiC粉体为主要原料(或者引入少量烧结助剂)，因此得到的为完全结晶态的SiC块体陶瓷。

发明内容

本发明的目的是要解决现有碳化硅陶瓷材料的制备方法存在的添加烧结助剂进行热压/无压烧结过程中，烧结温度高，高温力学性能不理想，先驱体转化法的成本高，块体陶瓷不致密以及无法获得非晶或者含有极少量纳米级析出相的非晶/纳米晶块体陶瓷的问题，而提供了一种高回复率高强度铁基形状记忆合金及其制备方法。

本发明的非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷按照Si:C摩尔比为1:(0.8～1.2)的比例由纯度为99％～99.9％的硅粉和纯度为99％～99.9％的石墨粉制成，所述的硅粉的粒径为1μm～20μm；所述的石墨粉的粒径为1μm～20μm。

本发明的非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：

一、按照Si:C摩尔比为1:(0.8～1.2)的比例称取纯度为99％～99.9％的硅粉和纯度为99％～99.9％的石墨粉；所述的硅粉的粒径为1μm～20μm，所述的石墨的粒径为1μm～20μm；

二、将步骤一称取的硅粉和石墨粉放入到球磨罐中，在氩气保护下进行球磨，磨球和物料的质量比为(5～100):1，磨球直径为3mm～10mm，球磨时间为1h～120h，得到非晶态的非晶/纳米晶粉末；

三、将步骤二得到的非晶/纳米晶粉末进行烧结，所述的烧结参数为：烧结温度为900～1800℃，烧结压力为1GPa～7GPa，烧结保温时间为1min～60min，得到非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷。

本发明的有益效果：

①本发明非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷制备中所使用的原料易得，价格低廉，制备过程简单，制备周期短，制备要求低；

②本发明利用超高压烧结技术，烧结温度仅为900～1800℃，降低了烧结温度；

③本发明的非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷的制备成本低，成本相比先驱体转化方法降低至少一半；

④本发明制备的非晶/纳米晶碳化硅陶瓷微观组织结构特征为非晶基体中分布着极少量尺寸为几个纳米的SiC微晶，相对密度为93.0～97.0％，硬度为31.4GPa～42.4GPa，弹性模量为338.5GPa～428.2GPa。

附图说明

图1为试验八步骤二得到的非晶态的非晶/纳米晶粉末的XRD图谱；

图2为试验八步骤二得到的非晶态的非晶/纳米晶粉末的选区电子衍射图谱；

图3为试验八步骤二得到的非晶态的非晶/纳米晶粉末的透射电镜高分辨像；

图4为试验八得到的非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷的XRD图谱；

图5为试验八得到的非晶/纳米晶碳化硅块体陶瓷的选区电子衍射图谱；