[发明专利]高强度碳化硅陶瓷管材及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法，更确切地说涉及挤出成型工艺制备高强度碳化硅陶瓷管材。属于工程陶瓷材料技术领域。

背景技术

碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高强度、高硬度等，而且具有高的热导率，优良的耐腐蚀性能，能够在各种苛刻的化工环境中作为换热材料；同时，碳化硅又具有优良的抗氧化性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。因此，碳化硅陶瓷在高温、颗粒冲蚀环境中也是绝佳的换热材料。

碳化硅陶瓷根据配方体系的不同，一般可分为反应烧结、无压烧结和重结晶烧结。重结晶碳化硅陶瓷一般含有10％左右的气孔率，一般不作为换热材料应用。无压烧结碳化硅由于其高纯度(高于99％)几乎能够应用于所有的强酸强碱，而且耐高温(高于1500℃)，热导率高达120W/m.K以上，是换热应用的最佳材料，也最早被应用于各种换热工况。法国圣戈班公司是国际上最早开始无压烧结管材研发，1993年美国专利US5227105利用B₄C-C为烧结助剂，通过挤出、干燥、脱粘和烧结等一系列连续生产工艺制备出碳化硅热交换管，工艺过程复杂，成本较高。管材到装备的发展几乎经历了10年，从2003年以后，碳化硅换热器在国际上逐步取得应用突破，目前国际上各大换热器公司使用的热交换管大都为圣戈班提供，价格昂贵。国内碳化硅挤出成型的技术在2008年研发成功，ZL200910051660.1发明了一种无压碳化硅管材制造方法，采用真空练泥和挤出成型方法制造素坯，而后高温烧结。所得碳化硅管材的直度可以达2.5mm/m以内，壁厚可达1.5mm以内，致密度达95％左右，能够满足工业热交换应用。但该工艺采用的为固相烧结工艺，所采用原料为高纯度的亚微米级碳化硅粉体，烧结温度高达2200℃，管材制造成本高。尽管在一些极端苛刻的环境中必须采用，但在一些中等腐蚀条件下，想取代现有的石墨、搪瓷换热器成本是非常大的制约因素。特别是在高温换热应用中，大量工业废热温度集中在1300℃以内，该管材高昂的成本也是制约其在高温余热回收领域的推广应用。

反应烧结碳化硅由于含有15％左右的游离硅，因此在实际使用过程中使用温度一般不超过1300℃，而且其耐碱腐蚀和强氧化酸性能较差。长期以来，反应烧结碳化硅陶瓷主要应用于1300℃以内的窑具和机械密封领域。国内绝大部分反应烧结碳化硅窑具均采用注浆成型的工艺制造，产品的密度一般在3.0g/cm³左右。该工艺制造的管材一般壁厚达6mm以上，不能很好应用于换热领域。挤出成型碳化硅窑具在最近也有所发展，CN201010271014.9发明了一种挤出成型工艺制备碳化硅棚板的方法，主要采用0.01～3μm的硅粉、碳化硅切割废料以及硅粉，添加粘结剂和润滑剂挤出成型，在氮气气氛中烧结。材料的主要成分为碳化硅结合氮化硅。该材料强度在300MPa以内，热导率不高于40W/m.K。CN201010271033.1发明了一种挤出成型反应烧结碳化硅方梁制备方法，主要原料为小于100um的碳化硅粉体，碳纤维等，制备的碳化硅方梁强度同样不高于300MPa。CN201110132853.7发明了一种碳化硅坯体及其生产工艺，采用80目、120目、240目和800目的碳化硅和3500目的石墨粉为主要原料，采用挤出成型制备，所制备的碳化硅强度得到提高，室温在270MPa左右，1200℃在330MPa左右。

尽管目前挤出成型结合反应烧结制备了碳化硅陶瓷，但仍然存在着一些缺点。首先是所制备的碳化硅陶瓷含有的游离硅偏高，一般在15～20wt％左右，大大影响了其耐腐蚀和耐高温性能，实际使用温度不超过1250℃。其二目前所使用的混料工艺为干混工艺，不同粒度的碳化硅粉体和炭黑粉体很难均匀分散，造成制备的碳化硅陶瓷存在着硅点和硅线等缺陷，影响换热应用的可靠性。其三目前所使用的主要原料为粗粉，尽管成本较低，但制备的碳化硅陶瓷密度和热导率较低，强度较低，热交换效率差，不能有效的应用于热交换领域。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的是提供一种高强度碳化硅陶瓷管材的制造方法，本发明采用如下技术方案：

一种高强度碳化硅陶瓷管材的制造方法，包括以下步骤：

(1)配料：

由以下重量含量的混合粉体组成：85-95％的粒度级配碳化硅微粉以及8-15％的石油焦碳粉；

所述粒度级配碳化硅微粉由重量含量为50-55％、粒度为45-50μm的碳化硅微粉和重量含量为45-50％、粒度为9-11μm的碳化硅微粉组成；

(2)球磨混料