[发明专利]通过多步反应烧结得到的具有极低残硅的碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

通过多步反应烧结得到的具有极低残硅的碳化硅陶瓷及其制备方法，设计烧结体组织中的残碳量和碳密度以保证二次反的过量碳，以及一次反应的合适碳密度，设计原料的配比；按体积百分比，将酚醛树脂13‑25％、乙二醇11‑29％加入烧杯中搅拌1h，加入碳化硅粉1％‑40％、石油焦粉0％‑15％，中间相碳微球粉1％‑55％，聚乙二醇400 0.01％‑0.8％球磨4h‑8h，加入酚醛树脂质量10％‑16％的苯磺酰氯搅拌；真空消泡后将浆料注模，保温固化，在700℃‑900℃保温碳化；碳化处理后在1450℃‑1600℃渗硅5min‑60min，升温至1700℃‑2200℃保温1h‑3h，制得极低残硅量的反应烧结碳化硅陶瓷；本发明制备的具有极低残硅含量的反应烧结碳化硅陶瓷可广泛应用于核反应堆、高导热部件及集成电路核心装备中的关键零部件。

技术领域

本发明涉及无机非金属碳化硅陶瓷领域，特别涉及一种通过多步反应烧结得到的具有极低残硅的碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷材料及其复合材料热导率高、硬度高、热膨胀系数低、熔点高、抗腐蚀性及抗氧化性能好，除此之外还具有优异的抗辐照性能，这使得它成为十分重要的高温结构陶瓷材料，广泛应用于机械、化工、能源、半导体、军工等领域。当碳化硅陶瓷材料及其复合材料应用于核燃料包壳材料时，其自身具有的高温稳定性、高温强度以及耐辐照特性可以在极大程度上提高核反应的安全性，避免核泄漏等严重事故的发生。

反应烧结碳化硅陶瓷的烧结原理是熔融的液态硅渗入素坯与碳发生反应，这就直接导致烧结体中存在残余硅，残余硅的存在会直接导致碳化硅应用范围缩小、力学性能差、耐腐蚀性差、在核环境下存在中子辐照肿胀等问题，破坏构件结构的稳定性。

武七德发表的《反应烧结碳化硅研究进展》指出可以用高温合金浸渗的方法降低反应烧结碳化硅中的残余硅，即耐高温合金组成物如Si-Mo取代Si渗入坯体，溶解的Mo析出MoSi₂同时消耗掉微量的残余硅。但是这种方法实际的反应过程尚不清楚，在反应后仍然存在一定数量的残余硅，同时目前的技术还无法使游离硅完全转化为高温相。此外该工艺要求事先将硅用耐高温金属饱和以保证熔体进入坯体，工艺复杂度很高，不适合于大规模生产应用。

根据Suocheng Song等人在《Microstructural development and factorsaffecting the performance of areaction-bonded silicon carbide composite》一文中的研究可知，反应烧结碳化硅残余硅含量较高的原因是硅碳反应的进行堵塞了毛细管通道，可以通过构建新型毛细管通道或者引入惰性碳源消耗残余硅的方法降低残余硅含量。其中构建新型毛细管通道的方法需要引入碳化硼，影响材料的纯度，且得到的残余硅含量仍有4vol％；专利号为201610850564.3的专利公开一种多步反应烧结法制备低残硅的碳化硅陶瓷材料的方法；通过引入惰性碳源的方法降低残余硅含量，在设计残余硅和惰性碳源恰好反应的前提下目前已经将残余硅含量降至3vol％。这些结果虽然与传统反应烧结碳化硅存在的12vol％的残余硅含量相比有明显的降低，但是仍然不满足极端复杂环境下对残余硅含量的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于通过多步反应烧结得到的具有极低残硅的碳化硅陶瓷及其制备方法，采用碳化硅粉、纳米炭黑粉、石油焦粉、中间相碳微球粉作为原料，其中纳米炭黑、石油焦以及部分中间相碳微球实现一次渗硅反应，剩余的中间相碳微球完成二次反应，采用凝胶注模成型法制备素坯，成型后二次渗硅烧结，得到最终残碳量为0％-20％的反应烧结碳化硅陶瓷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

通过多步反应烧结得到的具有极低残硅的碳化硅陶瓷，其原料组分及比例为：