一種碳化硅石墨復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料制備【技術領域】，尤其涉及一種碳化硅石墨復合材料及其制備方法。本發(fā)明的制備原料石墨粉末、碳化硅粉末、燒結助劑經(jīng)球磨混料、干燥、破碎、過篩后模壓成型，成型后經(jīng)脫膠處理后熱壓燒結，此燒結為控溫控壓兩段保壓燒結，隨爐冷卻得到碳化硅石墨復合材料。該方法大幅度縮減了生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)成品率；采用亞微米碳化硅粉末、氧化鋁及氧化釔作為燒結助劑進行液相壓力燒結，保證制品高密度、低氣孔率，提高了制品的高強度高耐磨性能，同時不含游離硅增加了制品的耐腐蝕性能；又在關鍵區(qū)段進行升溫、保溫控制，抑制和消除了燒結過程中的裂紋、變形等缺陷。本制備工藝耗時短48~72h，制品強度高其抗彎強度可達到181MPa，相對密度達到95%。
【專利說明】一種碳化硅石墨復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備【技術領域】，尤其涉及一種粉末冶金、熱壓燒結制備碳化硅石墨復合材料及其制備方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]石墨材料具有許多獨特的性能，如:是熱和電的良導體、高化學穩(wěn)定性、無熔點、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性強等特點，是一種重要的無機非金屬材料。石墨本身特殊的層狀結構在其沿著C軸方向僅有弱的范德華力結合，層與層之間很容易滑動，使石墨材料具有很優(yōu)異的潤滑性能。
[0004]石墨材料傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是利用焦炭等固體原料和煤浙青等粘結劑，經(jīng)混合、磨粉、壓制、焙燒、浸潰、石墨化等工序來制造的。制品氣孔率高，導致材料的強度低、承載能力下降、耐磨性低以及摩擦失穩(wěn)，壽命難預測，關鍵問題是制品生產(chǎn)周期長，成品率不容易控制。應用受到極大限制。通過在石墨材料中加入其它組元可以提高石墨材料的性能，為了提高石墨強度和耐磨蝕性，硅化石墨被大量研究。硅化石墨它不僅具有碳化硅的抗氧化、高硬度、耐化學腐蝕等優(yōu)點還具有石墨材料的導電導熱性、良好的自潤滑性及抗熱震性廣泛地應用于化工、冶金及宇航和核工業(yè)領域。另外石墨和碳化硅都屬于共價鍵結合化合物，所以硅化石墨的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定。除強氧化氣體、熔融堿之外，硅化石墨幾乎耐所有酸堿腐蝕。此外它的抗電化腐蝕能力也很強。
[0005]目前制造硅化石墨的方法有化學氣相沉積(CVD)法；化學氣相反應法(CVR)和液硅滲透反應法三種。日本已有的專利技術，如特公昭48 -26597、特開昭49- 83706、特開昭 50- 130363、特公昭 48- 26597、特開昭 49- 83706、特開昭 50-130363、特公平 5- 83517等均是在石墨基體材料上形成碳化硅層薄膜，存在的問題是材料表面和內(nèi)部成分不均勻。美國專利 N0.2，907，972.N0.4，312，954,N0.4，124，667,N0.4，346，049 采用硅和碳化硅 / 碳混合物反應燒結得到復合材料產(chǎn)品，存在游離硅含量高，影響高溫使用性能。N0.4，525，461采用無壓燒結制備碳化硅石墨復合材料，產(chǎn)品相對密度僅能達到75%左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是，現(xiàn)有技術中碳化硅石墨制備方法的原因導致材料的成分不均勻、相對密度低等缺點；本發(fā)明采用粉末冶金技術，通過原料種類、粒度、配比的優(yōu)化，配合熱壓燒結，制備出超細碳化硅陶瓷粉體彌散強化的石墨復合材料，得到高強度、耐磨損復合石墨材料。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案。
[0008]1、一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，制備原料為石墨粉末、碳化硅粉末、燒結助劑經(jīng)球磨混料、干燥、破碎、過篩后模壓成型，成型后經(jīng)脫膠處理后熱壓燒結，此燒結為控溫控壓兩段保壓燒結，隨爐冷卻得到碳化硅石墨復合材料。[0009]2、上述制備方法的優(yōu)選方案為，包括以下的制備步驟:
1)將2.2wt9T4.lwt%的燒結助劑，24.3wt%^45.0wt%的碳化硅粉末，其余為石墨粉末的原料與球磨介質(zhì)進行球磨混料后，經(jīng)過干燥、破碎、過100-200目篩獲得混合粉末；
2)將步驟I)制得的混合粉末模壓成型，得到素坯；
3)將步驟2)得到的素坯在氬氣環(huán)境下，750^8500C，保溫3(T60min后冷卻至室溫進行脫膠；
4)熱壓燒結，將步驟3)得到的坯料置于熱壓燒結爐中，在真空狀態(tài)下，升溫至1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，隨爐冷卻得到碳化硅石墨復合材料。
[0010]3、上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述步驟4)的熱壓工藝為，在真空狀態(tài)下，以10~15°C /min 升溫至 1200°C，以 8~10。。/min 升溫至 1600°C，以 5~8°C /min 升溫至 1800°C，在1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，將真空氣氛切換至氬氣氣氛，保溫I~2h進行壓力燒結，溫度降至1600°C時卸壓。采用此種先快速升溫再慢速升溫方式的目的，是防止樣品開裂；而前期真空狀態(tài)下加壓使得坯料更致密化，后期氬氣氣氛更有利于碳化硅的
燒結
[0011]4、上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述步驟3)在氬氣環(huán)境下，以5~10°C /min的速度的從室溫升溫至75(T850°C，保溫3(T60min，然后以8~10°C /min降至室溫。
[0012]5、上述制備方法的優(yōu)選方案為，步驟I)中所述碳化硅粉末純度> 98%，平均粒徑小于0.5μπι;石墨粉末純度≥96%，粒度為1200~1500目膠體石墨。
[0013]6、上述制備方法的優(yōu)選方案為，步驟I)中所述燒結助劑為氧化鋁、氧化釔中的一種或兩種任意比例的組合，其粒度為微米級。
[0014]7、上述制備方法的優(yōu)選方案為，步驟I)中所述球磨介質(zhì)為無水乙醇。
[0015]8、上述制備方法的優(yōu)選方案為，步驟I)中所述干燥溫度為10(T13(TC，干燥時間為3~5小時。
[0016]9、上述制備方法的優(yōu)選方案為，步驟2)中所述模壓成型的壓力為15(T250MPa。
[0017]10、本發(fā)明還涉及上述任一種方法制得的碳化硅石墨復合材料，所述材料為超細碳化硅陶瓷粉體彌散強化的石墨復合材料，其抗彎強度大于llOMPa、材料相對密度大于95%。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:該方法采用鱗片石墨、碳化硅顆粒為原料，避免了最終產(chǎn)品需要石墨化的過程，大幅度縮減了生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)成品率；采用亞微米碳化硅粉末、氧化鋁及氧化釔作為燒結助劑進行液相壓力燒結，保證制品高密度、低氣孔率，提高了制品的高強度高耐磨性能，同時不含游離硅增加了制品的耐腐蝕性能；又在關鍵區(qū)段進行升溫、保溫控制，抑制和消除了燒結過程中的裂紋、變形等缺陷。本制備工藝耗時短48~72h，制品強度高其抗彎強度可達到181MPa，相對密度達到95%。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明所采用的原材料為膠體石墨1200-1500目，碳化硅粉末D50:0.45um，燒結助劑氧化鋁(a-A1203，d50=2.02μπι)和氧化釔(d50=5ym);球磨介質(zhì)為無水乙醇。
[0021]實施例1將600g粒徑為1200目的膠體石墨、200g碳化硅粉末、18g氧化鋁，加入1200mL無水乙醇，球磨混料6h，獲得混合均勻的漿料待用；
將球磨后的漿料置于鼓風干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度到100°C，干燥5個小時，然后粉碎，過200目篩子，得到混合細粉待用；
篩分后的混合料裝入鋼模中，在壓機施加150MPa的單向壓力，保壓30s，脫模得到素
坯；
將素坯放到真空管式爐中，通入氬氣，以5°C /min的速度的從室溫升溫至800°C，保溫Ih脫膠，然后以8°C /min降至室溫；
脫膠后的素坯置于真空燒結爐中，在真空狀態(tài)下以10°C /min升溫至1200°C，以8V /min升溫至1600°C，以5°C /min升溫至1800°C，在1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，真空氣氛切換至氬氣氣氛，保溫2h進行壓力燒結，保溫結束后，隨爐溫冷卻至室溫得到制品。最終制品抗彎強度達到113MPa。[0022]實施例2
將510g粒徑為1500目的膠體石墨、300g碳化娃粉末、20g氧化乾,加入1000mL無水乙醇，球磨混料6h，獲得混合均勻的漿料待用；
將球磨后的漿料置于鼓風干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度到130°C，干燥3個小時，然后粉碎，過200目篩子，得到混合細粉待用；
篩分后的混合料裝入鋼模中，在壓機施加200MPa的單向壓力，保壓30s，脫模得到素
坯；
將素坯放到真空管式爐中，通入氬氣，以8°C /min的速度的從室溫升溫至800°C，保溫Ih脫膠，然后以8°C /min降至室溫；
脫膠后的素坯置于真空燒結爐中，在真空狀態(tài)下以15°C /min升溫至1200°C，以10°C /min升溫至1600°C，以8°C /min升溫至1800°C，在1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，真空氣氛切換至氬氣氣氛，保溫Ih進行壓力燒結，保溫結束后，隨爐溫冷卻至室溫得到制品。最終制品抗彎強度達到136MPa。
[0023]實施例3
將170g粒徑為1200目的膠體石墨、150g碳化硅粉末、9g氧化鋁，4.5g氧化釔，加入1000mL無水乙醇,球磨混料6h,獲得混合均勻的衆(zhòng)料待用；
將球磨后的漿料置于鼓風干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度到120°C，干燥4個小時，然后粉碎，過200目篩子，得到混合細粉待用；
篩分后的混合料裝入鋼模中，在壓機施加250MPa的單向壓力，保壓30s，脫模得到素
坯；
將素坯放到真空管式爐中，通入氬氣，以10°C /min的速度的從室溫升溫至750°C，保溫30min脫膠,然后以10O /min降至室溫；
脫膠后的素坯置于真空燒結爐中，在真空狀態(tài)下以15°C /min升溫至1200°C，以10°C /min升溫至1600°C，以8°C /min升溫至1800°C，在1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，真空氣氛切換至氬氣氣氛，保溫Ih進行壓力燒結，保溫結束后，隨爐溫冷卻至室溫得到制品。最終制品抗彎強度達到181MPa。
【權利要求】
1.一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，制備原料石墨粉末、碳化硅粉末、燒結助劑經(jīng)球磨混料、干燥、破碎、過篩后模壓成型，成型后經(jīng)脫膠處理后熱壓燒結，此燒結為控溫控壓兩段保壓燒結，隨爐冷卻得到碳化硅石墨復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下的制備步驟: 將2.2wt9T4.lwt%的燒結助劑，24.3wt%^45.0wt%的碳化硅粉末，其余為石墨粉末的原料與球磨介質(zhì)進行球磨混料后，經(jīng)過干燥、破碎、過100-200目篩獲得混合粉末； 將步驟I)制得的混合粉末模壓成型，得到素坯； 將步驟2)得到的素坯在氬氣環(huán)境下，75(T850°C，保溫3(T60min后冷卻至室溫進行脫膠； 熱壓燒結，將步驟3)得到的坯料置于熱壓燒結爐中，在真空狀態(tài)下，升溫至1750°C施加20MPa壓力，1800°C施加40MPa壓力，隨爐冷卻得到碳化硅石墨復合材料。
3.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟4)的熱壓工藝為，在真空狀態(tài)下，以1(T15°C /min升溫至1200°C，以8~1(TC /min升溫至1600。。，以 5~8。。/min 升溫至 1800。。，在 1750°C施加 2OMPa 壓力，1S00°C施加 40MPa 壓力，到溫后將真空氣氛切換至氬氣氣氛，保溫Hh進行壓力燒結，溫度降至1600°C時卸壓。
4.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3)在氬氣環(huán)境下，以5~10°C /min的速度的從室溫升溫至75(T850°C，保溫3(T60min，然后以8~10°C /min降至室溫。
5.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述碳化硅粉末純度≥98%，平均粒徑小于0.5 μ m ;石墨粉末純度≥96%，粒度為120(Tl500目膠體石墨。
6.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述燒結助劑為氧化鋁、氧化釔中的一種或兩種任意比例的組合，其粒度為微米級。
7.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述球磨介質(zhì)為無水乙醇。
8.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述干燥溫度為10(Tl3(rC，干燥時間為3飛小時。
9.根據(jù)權利要求2所述一種碳化硅石墨復合材料的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述模壓成型的壓力為15(T250MPa。
10.如權利要求1、任一種方法制得的碳化硅石墨復合材料，其特征在于，所述材料為超細碳化硅陶瓷粉體彌散強化的石墨復合材料，其抗彎強度大于llOMPa、材料相對密度大于 95%。
【文檔編號】C04B35/622GK103833363SQ201410017249
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權日:2014年1月15日
【發(fā)明者】燕青芝, 韓永軍, 李青彬 申請人:北京科技大學