[发明专利]一种碳化硅/碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种碳化硅/碳复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷由于具有良好耐酸碱腐蚀性、耐磨擦摩损性、高强度、高硬度、良好的抗氧化性能、较高的抗热震性以及在极高的温度下有良好的尺寸性等物理与化学性能，可用于放射性、腐蚀性、剧毒、易燃、易爆、高温等诸多复杂工况条件。因此，在热机工程及机械密封行业中所显示的良好性能和应用潜力已逐步为人们所认识，已经获得了广泛应用。

由于运行时，作为机械密封的密封环端面间始终处于接触并旋转状态，因此要求密封环材料具有良好的耐磨性，并保持流体膜良好的润滑性能和良好的边界润滑性能，以保证工况下有满意的使用寿命。目前工业部门大量应用的是反应烧结碳化硅、常压固相烧结碳化硅。但在干摩擦及硬面对硬面的特殊工况条件下，密封面之间的摩擦磨损加剧、温升较快，容易产生两工作面的粘合，而造成两端面在工作状态下，摩擦系数的增加，导致密封的失效。反应烧结碳化硅密封材料由于有游离硅的存在，因此其耐磨和耐高温性能较差，不适应上述两种工况条件。常压固相烧结碳化硅是一种近纯相的碳化硅材料，但其在干摩擦条件下，耐磨性能也急剧降低。且在热水条件下，上述两种碳化硅材料的耐磨性能均很差，德国ESK公司的研究表明：在200℃热水条件下，固相烧结碳化硅材料20个小时之内就会出现微裂纹，导致密封失效。因此，需要开发新型的碳化硅密封材料使其适应上述特殊的工况条件。

无压烧结碳化硅/碳密封件中含有游离石墨，与普通的无压烧结碳化硅相比，游离石墨的存在改善了材料的自润滑性，提高了无压烧结碳化硅的干磨擦性，同时也改善了其耐热冲击性，使其可用在在短时间失油的干摩擦情况下和高温工况条件下。近年来，这种新型的机械密封材料得到各国碳化硅材料生产厂家的研究与开发，如德国的ESK公司、德国的Schunk公司等。

美国专利US5422322发明了一种致密的自烧结的碳化硅/碳-石墨复合材料和一种用于制造复该合材料的方法。该复合材料包括碳化硅基体，2-30wt％的碳-石墨，碳-石墨由石墨表面包裹一层碳的前驱体构成，含10-20wt％石墨，至少5wt％的碳前驱体粘结剂如酚醛树脂等和(0.1-15wt％)少量的烧结助剂，如硼和游离碳。上述原料混合制备浆料，经造粒、干压、脱粘、烧成制备出复合材料。复合材料中碳化硅粒度在2和15微米之间，碳石墨的晶粒直径在10和75微米之间，且密度至少为理论密度的80％。

US4692418烧结的碳化硅/碳复合陶瓷体，具有非常均匀的细晶粒显微结构。含至少50％的碳化硅，且其颗粒粒径不超过约5微米，石墨颗粒的平均粒度小于碳化硅颗粒粒径且均匀分散，且密度至少为理论密度的75％。通过微孔生坯渗透法在约1900℃惰性气氛或真空中的烧结温度下制成。

US5968653发明包括一个碳-石墨/碳化硅复合制品。在优选实施例中，复合制品包括致密的碳化硅体，两个间隙区域：(1)含有丰富的金属硅的致密层和(2)一个小的碳化硅/金属/碳-石墨层和碳-石墨体。

CN200910247865.7发明了一种添加酚醛树脂为碳源的固相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，酚醛树脂占粉体总量的5-30wt％，其裂解后样品中残C量为1.5-9wt％。其完全以酚醛树脂引入C源，通过调节C含量和烧成温度获得不同晶粒尺寸和形貌的致密SiC陶瓷。

因此，在该领域，迫切需要一种能够简单、实用地制备性能优异的碳化硅/复合材料的方法。

发明内容

本发明旨在克服现有碳化硅/碳复合材料制备方法的不足，本发明提供了一种碳化硅/碳复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种碳化硅/碳复合材料的制备方法，所述方法包括：

1)采用有机碳源和无机碳源作为复合碳源，与碳化硅、硼源均匀混合得到原料混合粉体，以混合粉体的总质量为100％计，所述碳源能产生的碳的含量为6～20％，硼源的含量为0.5-1.0wt％，有机碳源产生的碳为复合碳源产生碳的重量的40-85wt％；

2)将步骤1)所得原料混合粉体成型制得素坯；

3)将步骤2)所得素坯，经过脱粘、烧成工艺，即得所述碳化硅/碳复合材料。