[发明专利]一种原位碳化硅纤维增强液相烧结碳化硅陶瓷及制造方法

说明书

一种采用原位碳化硅纤维增强液相烧结碳化硅陶瓷及制造方法，其特征在于通过竞争性吸附而部分吸附聚碳硅烷分子链的母体碳化硅颗粒与通过乙烯基三乙氧基硅烷键合小颗粒氧化铝‑氧化钇烧结助剂的母体碳化硅颗粒在1700℃‑1800℃的烧结温度下聚碳硅烷分子链裂解成为碳化硅纤维，通过在液化的氧化铝‑氧化钇烧结助剂中的生长形成与其他碳化硅颗粒的“铆接”，形成在残留晶界的氧化铝‑氧化钇烧结助剂中的交叉纤维网格及“裂纹偏转”机理大幅度提高其高温机械性能，并同时避免在液相烧结时的团聚，自颗粒“铆接”及碳化硅颗粒表面过多碳化硅纤维可能引起的空间位阻效应而导致不利于烧结的情况出现。

技术领域

本发明涉及一种高强度碳化硅陶瓷及制造方法技术领域。

背景技术

碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

机械设备中的动密封是通过两个密封端面材料的旋转滑动而进行的，作为密封端面材料，要求硬度高，具有耐磨损性。碳化硅陶瓷的硬度相当高且摩擦系数小，故碳化硅陶瓷作为机械密封端面材料可获得其它材料所无法达到的滑动特性。另一方面，两个端面密封材料在旋转运动过程中由于摩擦会产生一定的热量，从而使密封端面的局部温度升高，因此端面材料还必须能够耐受一定的温度。为了避免端面密封材料在旋转滑动过程中产生热应变和热裂，要求端面材料的导热系数高、抗热震性好。目前，碳化硅陶瓷已经在各类机械密封中获得大量的应用，并为机械设备的省力和节能做出了很大的贡献，显示出其他材料所无法比拟的优越性。碳化硅陶瓷在机械工业中还被成功地用作各种轴承、切削刀具。

在汽车工业中，为了提高发动机的热效率，充分利用能源，降低燃料消耗，减少大气污染，希望发动机的工作温度高于1200℃(据计算，发动机的工作温度由1100℃提高到1370℃时，热效率可增加30％)。碳化硅陶瓷因所具有的高温强度，较低的热膨胀系数，较高的导热系数和较好的抗热冲击性而被认为是使用温度超过1200℃最有前途的候选材料。拥有先进陶瓷技术的国家如美国、德国和日本已研发出采用碳化硅陶瓷的发动机零部件如发动机定子、转子、燃烧器及涡形管并取得了良好的使用效果，目前正致力于全陶瓷发动机的开发研究。

航空航天、原子能工业等需要耐受超高温度的场合如核裂变和核聚变反应堆中需要的可承受2000度左右高温的耐热材料；火箭和航天飞行器表面用于耐受与大气剧烈摩擦中产生的高达数千K温度的隔热瓦；火箭发动机燃烧室喉衬和内衬材料，燃气涡轮叶片；高温炉的顶板、支架，以及高温实验用的卡具等高温构件也普遍采用碳化硅陶瓷构件。碳化硅陶瓷在石油化学工业中还被广泛地用作各种耐腐蚀用容器和管道。

由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点。但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10^-10和2.5×10^-13cm²/s。所以SiC很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化(Krishi Negita，Effective sinteringaids for silicon carbide ceramics：reactivities of silicon carbide withvarious additives，J.Am.Ceram.Soc.，1986，69(12)：C308-310.)。我们知道在这样的高温下，如果能够降低一定的工作温度，能耗将会急剧地减小，所以如何在尽可能低的温度下烧结得到高相对致密度(＞98％)的碳化硅陶瓷产品，满足不同工业领域对高端碳化硅陶瓷制品的需求，已成为碳化硅陶瓷产业亟待解决的共性关键问题。