[发明专利]一种新型碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化硅材料领域，具体涉及一种新型碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高强度，高韧性，低蠕变性，耐摩擦磨损，耐腐蚀性及良好的抗氧化性，并且其优异的机械性能，较低的热膨胀系数和较高的热传导系数决定了碳化硅陶瓷的抗热震性能非常好。近年来，碳化硅陶瓷在机械、化工、军工、能源等高技术行业的应用越来越广泛。目前，工业用碳化硅陶瓷主要采用反应烧结和无压烧结两种方式。

反应烧结碳化硅的基本原理是：具有反应活性的液态硅在毛细管力的作用下渗入含碳的多孔陶瓷素坯，并与其中的碳反应生成碳化硅，新生成的碳化硅原位结合素坯中原有的碳化硅颗粒，浸渗剂填充素坯中的剩余气孔，完成致密化过程。常用α-SiC粉和石墨或其他能提供碳源的物质混合成型后，通过液相硅渗入素坯同碳起反应生成β-SiC，并把原来的α-SiC结合起来成为烧结体。

无压烧结碳化硅的基本原理是：在较高的烧结温度下，通过添加有效的烧结助剂，常压烧结，高温时碳化硅发生晶型转变，从而获得碳化硅的致密烧结体。

虽然现有的碳化硅陶瓷生产工艺可以满足碳化硅陶瓷的使用性能，但仍存在以下问题：(1)反应烧结碳化硅陶瓷的致命弱点是陶瓷中含有游离硅。游离硅的存在制约了反应烧结碳化硅陶瓷在高温(大于1500℃)和强腐蚀环境下的应用，所以反应烧结碳化硅陶瓷中游离硅的含量越低越好；(2)无压烧结碳化硅陶瓷的性能虽好，但其生产成本偏高。因此，有必要开发一种新型的碳化硅陶瓷的制备方法，保证碳化硅陶瓷的各项性能指标不降低，还可进一步降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型碳化硅陶瓷及其制备方法，其进一步的目的在于提供一种成本较低的碳化硅陶瓷及其制备方法。

本发明采用以下技术方案：一种新型碳化硅陶瓷，用下述主料和辅料经混合造浆、造粒、压制成型、烧结制成，主料的质量百分比组成为：碳化硅粉体80-90％、硅粉6-10％和碳粉4-10％，辅料为粘结剂和分散剂，粘结剂的用量为主料总质量的1-5％，分散剂的用量为主料总质量的0.5-1％。

所述碳化硅粉体由碳化硅废料制得，所述硅粉由太阳能晶硅片切割液的废砂浆制得。

所述粘结剂为聚乙烯醇或/和羧甲基纤维素，分散剂为聚乙二醇、四甲基氢氧化铵、磷铝酸盐、聚丙烯酸中的一种或两种以上的组合。

新型碳化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)按比例取各原料，将碳化硅粉体、硅粉、碳粉加入去离子水中，依次加入粘结剂和分散剂，球磨混合4-10小时，成固含量50-70％的复合料浆；

(2)复合料浆经喷雾干燥，得复合造粒粉；所述喷雾干燥时的热风进口温度为200-300℃，出口温度为110-140℃，复合料浆流量为20-100kg/h；

(3)复合造粒粉经干压成型，得素坯；所述干压成型时的压力为60-200Mpa。

(4)素坯经真空烧结得新型碳化硅陶瓷，烧结温度为1600-1800℃，保温时间为2-5小时。

所述碳化硅粉体的制备过程为：a、将碳化硅废料用pH为1-5的酸溶液浸泡至少8小时以去除金属及氧化物杂质，再用pH＞10的碱溶液浸泡2-4小时以去除二氧化硅；b、将步骤a的产物分散于其质量0.8-1倍的水中形成悬浮液，调节悬浮液的pH≤2，搅拌6-14小时，过滤，水洗滤饼至洗涤液为中性，干燥滤饼；c、将滤饼分散于其质量2-5倍的有机溶剂中，加入滤饼质量0.5-7％的表面活性剂，搅拌6-12小时，去除有机溶剂，干燥得碳化硅粉体。

所述有机溶剂为无水乙醇、甲苯、氯仿、四氯化碳和四氢呋喃中的一种或两种以上的组合；所述表面活性剂为铝锆偶联剂、聚乙二醇、硅烷偶联剂中的一种或两种以上的组合。

所述硅粉的制备过程为：a、将太阳能硅片切割废砂浆温度调节到20～80℃，固液分离；b、将分离所得的固体添水造浆至质量浓度15-90％，后采用刮刀离心机分离；c、将分离得到的固体加水造浆至浓度为20～40wt％，并按固体质量的0.01～0.1％向浆料中添加浮选油，然后将浆料打入水力分级装置，持续鼓入空气气流，充分搅拌1-3小时后，再以100～500L/h的流速进行水流浮选，得粗硅粉；d、将粗硅粉依次进行酸洗、浓缩、烘干得到硅粉。

所述浮选油为松油、2#浮选油、QX-3浮选油中的一种或两种以上的组合；所述固液分离采用卧式离心机、立式离心机、沉降离心机或刮刀离心机，离心速度为500-1500r/min。

所述粘结剂为聚乙烯醇或/和羧甲基纤维素，分散剂为聚乙二醇、四甲基氢氧化铵、磷铝酸盐、聚丙烯酸中的一种或两种以上的组合。