本發(fā)明涉及陶瓷材料，具體而言涉及一種重結晶碳化硅制品及其制備方法。

背景技術：

1、高溫燒結坩堝、爐管所處的工作環(huán)境較為惡劣，為了保證穩(wěn)定、可靠地工作，一般采用具有卓越的耐高溫、抗熱震性、高密度、高強度，以及化學穩(wěn)定性的碳化硅陶瓷作為制備材料。碳化硅陶瓷的制造工藝中通常采用常壓燒結法、反應燒結法、熱壓燒結法、浸漬法和重結晶法等燒成方法，為了滿足高溫燒結坩堝、爐管的要求，在制備時一般采用反應燒結，液相燒結等方法以獲得具有較高的致密性、抗熱沖擊性能和純凈度的碳化硅。

2、重結晶碳化硅(r-sic)具有很高的純度和耐熱沖擊性，具有較廣的使用溫度和極端使用環(huán)境，能夠滿足高溫燒結坩堝、爐管的使用環(huán)境，但是r-sic燒結通常無法達到足夠高的致密度。重結晶是在高于2100℃的溫度及一定壓力的氣氛保護下，小顆粒發(fā)生蒸發(fā)—凝聚再結晶作用，在大顆粒接觸處發(fā)生顆粒共生形成的燒結體，小顆粒蒸發(fā)會造成一定數(shù)量孔隙，因此這種燒結方法會導致碳化硅陶瓷具有較高的氣孔率，即使通過控制原料粉的顆粒級配，其密度也很難高于2.6g/cm3，不能滿足碳化硅坩堝高密度高強度的要求，從而影響其使用壽命，甚至無法使用。

3、現(xiàn)有技術中，有研究在重結晶碳化硅燒結時通過采用更高的溫度(約2500℃)或非常長的燒結時間(數(shù)十小時)，將密度提升到2.7g/cm3甚至更高，這雖然使碳化硅的密度得到了提升，但往往伴隨著晶粒顯著長大，導致最終碳化硅制品的機械性能的下降。

4、因此，重結晶碳化硅的密度難以突破2.6g/cm3的瓶頸成為了碳化硅領域內的一個長期問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種重結晶碳化硅制品及其制備方法，通過一次成型，結合多次浸漬和一次燒結，提高坯體的強度，并最終提高碳化硅制品的密度和強度。

2、根據(jù)本發(fā)明目的的第一方面，提供一種重結晶碳化硅制品的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、將第一分散劑和第一粘結劑溶于去離子水中，再加入第一碳化硅粉和第二碳化硅粉，混合后球磨形成第一漿料，之后將所述第一漿料干燥、研磨，以及過篩后干壓成型，得到碳化硅制品的坯體；其中，第一碳化硅粉的平均粒徑d1大于第二碳化硅粉的平均粒徑d2；

4、s2、將步驟s1得到的坯體進行梯度升溫固化，直至粘結劑完全固化，之后自然冷卻至室溫，得到碳化硅制品的基體；

5、s3、根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率b1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，以及根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑d3，其中第三碳化硅粉的平均粒徑d3大于第四碳化硅粉的平均粒徑d4；

6、s4、將第二分散劑和第二粘結劑溶于去離子水中，再加入第三碳化硅粉和第四碳化硅粉，混合后球磨形成第二漿料，將步驟s2得到的基體在真空條件下浸漬于第二漿料中，直至第二漿料完全浸入所述基體中，之后室溫干燥，水分干燥完后繼續(xù)循環(huán)重復浸漬和干燥過程，直至被處理的基體的孔隙率b2≤5％；

7、s5、將步驟s4處理后的基體置于惰性氣氛中重結晶燒結，保溫后自然冷卻至室溫，得到所需的重結晶碳化硅制品。

8、作為可選的實施方式，第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的平均粒徑關系為：d2＜0.8d1。

9、作為可選的實施方式，所述第一碳化硅粉的平均粒徑d1為15μm～95μm。

10、作為可選的實施方式，所述第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的質量比為(1～10):1。

11、作為可選的實施方式，將步驟s1得到的坯體進行梯度升溫固化的過程如下：

12、將所述第一坯體至于爐體中，在空氣氛圍中，以1～5℃/min的速率升溫至180℃～200℃進行固化，其中，每升溫30℃保溫10～30min。

13、作為可選的實施方式，根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率b1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，以及根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑d3的原則如下：

14、第三碳化硅粉的平均粒徑d3≤a1，第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積為v1*b1。

15、作為可選的實施方式，第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的平均粒徑關系為：d4＜0.8d3。

16、作為可選的實施方式，所述第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的質量比為(1～10):1。

17、作為可選的實施方式，所述第一漿料的固含量p1的范圍值為50％～80％，所述第二漿料的固含量p2的范圍值為25％～60％。

18、作為可選的實施方式，所述步驟s4中，浸漬和干燥的次數(shù)n≥(lnb2-lnb1)/ln(1-p2)。

19、作為可選的實施方式，所述步驟s5中，重結晶燒結的條件如下：

20、燒結溫度為2100℃～2300℃，保溫時間2～5h；其中，升溫區(qū)間0℃～200℃以3～5℃/min的升溫速率升溫，200℃～500℃以0.5～1℃/min的升溫速率升溫，500℃～1600℃以1.5～2℃/min的升溫速率升溫，1600℃至最終溫度以1～1.5℃/min的升溫速率升溫。

21、作為可選的實施方式，所述第一分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或四甲基氫氧化銨，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質量的1％～5％；

22、所述第一粘結劑為酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂中的一種或兩者的混合物，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質量的3％～10％。

23、作為可選的實施方式，所述第二分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或四甲基氫氧化銨，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質量的1％～3％；

24、所述第二粘結劑為酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂中的一種或兩者的混合物，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質量的3％～10％。

25、根據(jù)本發(fā)明目的的第二方面，提供一種采用前述方法制備的高致密重結晶碳化硅構件。

26、作為可選的實施方式，所述高致密重結晶碳化硅構件的密度可達3.0g/cm3以上，氣孔率為1％～7％，平均氣孔尺寸為3μm～10μm。

27、由以上本發(fā)明的技術方案可見，本發(fā)明提出的重結晶碳化硅制品的制備方法，采用一次成型，獲得的坯體不需要進行燒結，而是通過梯度升溫將熱固性粘結劑固化，使坯體的強度得到急劇提升得到基體，之后根據(jù)基體的結構設計浸漬配方及工藝，通過多次浸漬，使更細小的顆粒能夠充分填充到基體的孔中，燒結后形成更細小的氣孔，從而減少氣孔率，獲得的碳化硅制品具有高密度，密度可達3.0g/cm3以上，以及150mpa～300mpa的高強度，可以滿足高溫燒結坩堝、爐管的使用需求。

28、本發(fā)明的制備方法，通過提升坯體強度結合多次浸漬和一次燒結，成品密度和強度提高的同時，具有操作簡單、工藝流程短、耗能低，以及效率高的優(yōu)點。

技術特征：

1.一種重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的平均粒徑關系為：d2＜0.8d1。

3.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第一碳化硅粉的平均粒徑d1為15μm～95μm。

4.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第一碳化硅粉和第二碳化硅粉的質量比為(1～10):1。

5.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，將步驟s1得到的坯體進行梯度升溫固化的過程如下：

6.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，根據(jù)步驟s2得到的基體的體積v1和氣孔率b1確定第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的粉體總體積，以及根據(jù)基體的氣孔尺寸a1確定第三碳化硅粉的平均粒徑d3的原則如下：

7.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的平均粒徑關系為：d4＜0.8d3。

8.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第三碳化硅粉和第四碳化硅粉的質量比為(1～10):1。

9.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第二漿料的固含量p2的范圍值為25％～60％。

10.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述步驟s4中，浸漬和干燥的次數(shù)n≥(lnb2-lnb1)/ln(1-p2)。

11.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述步驟s5中，重結晶燒結的條件如下：

12.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第一分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或四甲基氫氧化銨，占第一碳化硅粉和第二碳化硅粉總質量的1％～5％；

13.根據(jù)權利要求1所述的重結晶碳化硅制品的制備方法，其特征在于，所述第二分散劑為聚乙烯吡咯烷酮或四甲基氫氧化銨，占第三碳化硅粉和第四碳化硅粉總質量的1％～3％；

14.一種采用權利要求1-13中任意一項所述的方法制備的重結晶碳化硅制品。

15.根據(jù)權利要求14所述的重結晶碳化硅制品，其特征在于，所述重結晶碳化硅制品的密度可達3.0g/cm3以上，氣孔率為1％～7％，平均氣孔尺寸為3μm～10μm。

技術總結
本發(fā)明提供一種重結晶碳化硅制品的制備方法，采用一次成型，獲得的坯體不需要進行燒結，而是通過梯度升溫將熱固性粘結劑固化，使坯體的強度得到急劇提升得到基體，之后根據(jù)基體的結構設計浸漬配方及工藝，通過多次浸漬，使更細小的顆粒能夠充分填充到基體的孔中，燒結后形成更細小的氣孔，從而減少氣孔率，獲得的碳化硅構件具有3.0g/cm<supgt;3</supgt;以上的高密度，以及150MPa～300MPa的高強度，可以滿足高溫燒結坩堝、爐管的使用需求。

技術研發(fā)人員：鐘強,王紹隆,吳良輝,左開慧
受保護的技術使用者：蘭德森材料科技（鹽城）有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9