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一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法2025年6月24日

时间: 2025-06-24

  (71)申请人宁波伏尔肯科技股份有限公司地址315121浙江省宁波市鄞州区潘火街道金源路666号

  本发明公开了一种反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,包括准备碳化硅粉料、制备墨水、制备生坯和烧结生坯四个步骤,属于碳化硅陶瓷制备技术领域。本发明公开的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法通过在向墨水中直接引入碳源,使得碳化硅打印坯体中的碳含量大幅增加,进一步使最终烧结坯体中生成的β‑碳化硅含量大幅增加和自由硅含量大幅降低,从而提高了碳化硅陶瓷的密度、强度和硬度。同时避免了从粉末中直接加入碳粉后引起喷墨的胶水附着在粉体表面而导致烧结过程中胶水渗透深度不够,造成打印的坯体的强度不够现象。

  S2,制备墨水,将胶水、碳源、添加剂和溶剂进行搅拌混合形成悬浊液,将所述悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,得到球磨混悬液,将所述球磨混悬液进行过滤,得到墨水,

  S3,采用3D喷墨法制备生坯,铺一层步骤S1中碳化硅粉料,喷射步骤S2中墨水,待墨水固化后,再重复铺碳化硅粉和喷射墨水步骤,逐层铺设制得生坯,

  S4,烧结生坯,将步骤S3中的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。

  2.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中碳化硅粉料是由不同粒度碳化硅进行混合后的混合粉料,所述碳化硅粉料的粒度为1,200um、纯度≥99,、堆积密度为1.2,2.0g/cm3。

  3.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2制得的墨水中胶水的质量百分含量为10,(50)、碳源的质量百分含量为10,(50)、添加剂的质量百分含量为0.1(10)、其余为溶剂。

  4.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中碳源选自炭黑、石墨烯、石墨中的一种或多种。

  5.根据权利要求4所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中碳源的粒度为20,300nm。

  6.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中胶水选自酚醛树脂、呋喃树脂、聚乙烯醇溶液、聚乙烯吡咯烷溶液中的一种或多种。

  7.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中添加剂选自四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯、BYK‑160中的一种或多种。

  8.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中溶剂选自无水乙醇、乙二醇、丙酮、去离子水等一种或多种。

  9.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中所用的过滤网目数为50目,200目。

  [0001]本发明涉及碳化硅陶瓷制备技术领域,具体而言,涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法。

  [0002]碳化硅(SiC)具有良好的抗热震性和化学稳定性,因此在高温和极端条件下具有良好的应用前景。但SiC陶瓷很难加工形成复杂形状的产品,而传统SiC陶瓷制备工艺如粉末烧结和薄膜沉积固结存在诸多限制,影响其高温性能、环境抗性和高强度等优良性能的发挥。

  [0003]3D喷墨打印技术是目前新兴的快速成型技术,具备快速、精密、可成型复杂材料的优点,但是目前采用3D喷墨打印技术制备得到的SiC陶瓷的致密性较差,影响了SiC陶瓷产品的机械性能。

  [0004]反应烧结碳化硅又称渗硅烧结碳化硅,是利用高温下液态硅渗透进入坯体内部与碳反应生成碳化硅、同时孔隙填充硅的一种制备方法,产品中碳化硅含量决定了试样的最终性能,正常是坯体中的碳化硅含量越高性能越好。其中增加素坯中的碳含量是提高产品中碳化硅含量的有效途径。

  [0005]目前采用3D喷墨打印技术法所使用的胶水一般为液态树脂类,其碳含量较低,另外,如将打印粉料直接引入碳粉,由于碳粉密度低,在铺粉过程中极易造成碳粉浮于打印面的表面,对产品均匀性造成影响,此外由于碳粉的比表面积要远大于碳化硅粉体,喷墨胶水会被碳粉吸收,造成粉体颗粒之间很难粘接在一起。现有技术很难实现直接打印的反应烧结碳化硅素坯中就具有较高的碳源,从而造成了打印后直接经过烧结后的坯体中的碳化硅含量过低。

  [0009]S2,制备墨水,将胶水、碳源、添加剂和溶剂进行搅拌混合形成悬浊液,将所述悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,得到球磨混悬液,将所述球磨混悬液进行过滤,得到墨水,

  [0010]S3,采用3D喷墨法制备生坯,铺一层步骤S1中碳化硅粉料,喷射步骤S2中墨水,待墨水固化后,再重复铺碳化硅粉和喷射墨水步骤,逐层铺设制得生坯,

  [0011]S4,烧结生坯,将步骤S3中的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。

  碳含量大幅增加,避免了从粉末中直接加入碳粉后引起喷墨的胶水附着在粉体表面而导致烧结过程中胶水渗透深度不够,造成打印的坯体的强度不够现象。此外直接在胶水中加入的碳源会提高胶水中碳含量,同样也增加了最终坯体中碳含量。打印坯体中碳含量增加使得最终烧结坯体中的生成的β‑碳化硅含量大幅增加,最终坯体中的自由硅含量大幅降低,从而提高了碳化硅陶瓷的密度、强度和硬度。

  [0013]优选地,所述步骤S1中碳化硅粉料是由不同粒度碳化硅进行充分混合后的混合粉料,所述碳化硅粉料的粒度为1,200um、纯度≥99,、堆积密度为1 .2,2.0g/cm3。通过控制碳化硅粉料的粒度、纯度和堆积密度,有利于制备致密的碳化硅陶瓷。

  [0014] 优选地,所述步骤S2中墨水中胶水的质量百分含量为10,(50)、碳源的质量百分含量为10,(50)、添加剂的质量百分含量为0. 1(10),其余为溶剂。通过控制胶水、碳源、添加剂和溶剂的质量百分含量,来控制最终打印出的坯体中的碳的含量和坯体的强度,最终实现提高碳化硅陶瓷的性能。

  [0015] 优选地,所述步骤S2中碳源选自炭黑、石墨烯、和石墨中的一种或多种。选择炭黑、石墨烯、石墨中的一种或多种作为碳源加入到墨水中,是因为炭黑、石墨烯、石墨在常温下性能稳定,在与胶水、添加剂和溶剂形成混悬液和球磨过程中不发生反应。

  [0016] 优选地,所述步骤S2中碳源的粒度为20,500nm。碳源的粒度为纳米级可以更好地与胶水、添加剂和溶剂形成混悬液。

  [0017] 优选地,所述步骤S2中胶水选自酚醛树脂、呋喃树脂、聚乙烯醇溶液、聚乙烯吡咯烷溶液中的一种或多种。通过选择酚醛树脂、呋喃树脂、聚乙烯醇溶液、聚乙烯吡咯烷溶液中的至少一种作为胶水,使其在烧结过程中易于扩散到碳化硅粉体中,可提高烧结后的碳化硅陶瓷的强度。

  [0018] 优选地,所述步骤S2中添加剂选自四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯、BYK‑160中的一种或多种。通过在油墨中加入四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯、BYK‑160中的一种或多种作为添加剂,提高碳化硅陶瓷的综合性能。

  [0019] 优选地,所述步骤S2中的溶剂选自无水乙醇、乙二醇、丙酮、去离子水中的一种或多种。通过选择无水乙醇、乙二醇、丙酮、去离子水中的一种或多种作为溶剂,可以与胶水、碳源、添加剂形成混悬液,形成墨水便于进行喷墨打印。

  [0020] 优选地,所述步骤S2中所用的过滤网的目数为50目,200目。用50目,200目的过滤网过滤掉球磨过程中球磨不充分而形成的大颗粒,避免在喷墨打印过程中将大颗粒引入陶瓷坯体中,而影响最终的碳化硅陶瓷的性能。

  [0022] 下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

  [0024] S1 ,准备碳化硅粉料,碳化硅粉料是由不同粒度碳化硅进行充分混合后的混合粉料,碳化硅粉料的粒度为1,200um、纯度≥99,、堆积密度为1 .2,2.0g/cm3。通过控制碳化硅粉料的粒度、纯度和堆积密度,有利于制备致密的碳化硅陶瓷。

  [0025] S2,制备墨水,将胶水、碳源、添加剂和溶剂进行搅拌混合形成悬浊液,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,得到球磨混悬液,将所述球磨混悬液进行过滤,得到墨水,其中胶水选自酚醛树脂、呋喃树脂、聚乙烯醇溶液和聚乙烯吡咯烷溶液中的一种或多种,碳源选自炭黑、石墨烯和石墨中的一种或多种,碳源的粒度为20(500nm)添加剂选自四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯和BYK‑160中的一种或多种,溶剂选自无水乙醇、乙二醇、丙酮和去离子水中的一种或多种。

  [0026] 墨水中的胶水在烧结过程中易于扩散到碳化硅粉体中,可提高烧结后的碳化硅陶瓷的强度,粒度为纳米级的碳黑、石墨烯和石墨可以更好地与胶水、添加剂和溶剂形成混悬液,添加剂四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油、蓖麻油、聚乙烯醇、磷酸三乙酯和BYK‑160可提高碳化硅陶瓷的综合性能,溶剂无水乙醇、乙二醇、丙酮和去离子水可以与胶水、碳源、添加剂形成混悬液,形成墨水便于进行喷墨打印。

  [0027] S3,采用3D喷墨法制备生坯,铺一层步骤S1中碳化硅粉料,喷射步骤S2中墨水,待墨水固化后,再重复铺碳化硅粉和喷射墨水步骤,根据预制陶瓷的形状逐层铺射多层碳化硅粉和墨水制得生坯,

  [0028] 采用3D喷墨法可制备复杂形状的生坯,解决了SiC陶瓷很难加工形成复杂形状的产品的问题

  [0029] S4,烧结生坯,将步骤S3中的生坯置于高温烧结炉中,烧结的温度为1450,1800℃下进行渗硅反应烧结,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。

  [0031] 在本公开中,将3D喷墨打印技术引入到反应烧结碳化硅陶瓷的制备中,通过向墨水中直接引入碳源,一方面使得碳化硅打印坯体中的碳含量大幅增加,并使得最终烧结坯体中的生成的β‑碳化硅含量大幅增加和坯体中的自由硅含量大幅降低,从而提高了碳化硅陶瓷的密度、强度和硬度。另一方面,避免了从粉末中直接加入碳粉后引起喷墨的胶水附着在粉体表面而导致烧结过程中胶水很难渗透进入粉体中,导致打印的坯体的强度降低。

  [0033] 1)准备碳化硅粉料,碳化硅粉料由粒度分别为50um、100um和150um的碳化硅陶瓷粉末混合而成,混合后碳化硅陶瓷粉料的纯度≥99,、堆积密度为1 .6g/cm3,

  [0034] 2)制备墨水,将酚醛树脂、炭黑、BYK‑160和无水乙醇按质量百分浓度40,、30,、

  5,、25,进行搅拌混合形成悬浊液,其中炭黑的粒度为500nm,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,使碳源与胶水及添加剂充分混合,得到球磨混悬液,再用100目的过滤网过滤球磨混悬液,得到墨水,墨水的粘度为5mPa· s,

  [0035] 3)制备生坯,采用3D喷墨法先铺一层步骤1)中碳化硅粉料,再喷射步骤2)中墨水,待所述墨水固化后,再重复铺步骤1)中的碳化硅粉和喷射步骤2)中墨水,根据预制陶瓷的形状喷射多层碳化硅粉和墨水,最后制得生坯,

  [0038] 1)准备碳化硅粉料,碳化硅粉料由粒度分别为3um、50um和200um的碳化硅陶瓷粉末混合而成,混合后碳化硅陶瓷粉料的纯度≥99,、堆积密度为2g/cm3,

  30,、30,、5,、30,、5,进行搅拌混合形成悬浊液,其中石墨烯的粒度为20nm,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,使碳源与胶水及添加剂充分混合,得到球磨混悬液,再用50的过滤网过滤球磨混悬液,得到墨水,墨水的粘度为10mPa· s,

  [0040] 3)制备生坯,采用3D喷墨法先铺一层步骤1)中碳化硅粉料,再喷射步骤2)中墨水,待所述墨水固化后,再重复铺步骤1)中的碳化硅粉和喷射步骤2)中墨水,根据预制陶瓷的形状喷射多层碳化硅粉和墨水,最后制得生坯,

  [0041] 4)烧结生坯,将步骤3)中制得的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结温度为1450℃,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。制得碳化硅陶瓷的性能参数列在表1中。

  [0043] 1)准备碳化硅粉料,碳化硅粉料由粒度分别为30um、90um、150um和180um的碳化硅陶瓷粉末混合而成,混合后碳化硅陶瓷粉料的纯度≥99,、堆积密度为1 .4g/cm3,

  30,、1,和19.9,进行搅拌混合形成悬浊液,其中石墨的粒度为200nm,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,使碳源与胶水及添加剂充分混合,得到球磨混悬液,再用200目的过滤网过滤球磨混悬液,得到墨水,墨水的粘度为18mPa· s,

  [0045] 3)制备生坯,采用3D喷墨法先铺一层步骤1)中碳化硅粉料,再喷射步骤2)中墨水,待所述墨水固化后,再重复铺步骤1)中的碳化硅粉和喷射步骤2)中墨水,根据预制陶瓷的形状喷射多层碳化硅粉和墨水,最后制得生坯,

  [0046] 4)烧结生坯,将步骤3)中制得的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结温度为1800℃,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。制得碳化硅陶瓷的性能参数列在表1中。

  [0048] 1)准备碳化硅粉料,碳化硅粉料由粒度分别为5um、30um、60um、80um和100um的碳化硅陶瓷粉末混合而成,混合后碳化硅陶瓷粉料的纯度≥99,、堆积密度为2g/cm3,

  50,、10,、10,、30,进行搅拌混合形成悬浊液,其中碳源由粒度为50纳米的石墨烯和粒度为150nm的石墨1 , 1混合而成,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,使碳源与胶水及添加剂充分混合,得到球磨混悬液,再用150目的过滤网过滤球磨混悬液,得到墨水,墨水的粘度为20mPa· s,

  [0050] 3)制备生坯,采用3D喷墨法先铺一层步骤1)中碳化硅粉料,再喷射步骤2)中墨水,待所述墨水固化后,再重复铺步骤1)中的碳化硅粉和喷射步骤2)中墨水,根据预制陶瓷的形状喷射多层碳化硅粉和墨水,最后制得生坯,

  [0051] 4)烧结生坯,将步骤3)中制得的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结温度为1500℃,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。制得碳化硅陶瓷的性能参数列在表1中。

  [0053] 1)准备碳化硅粉料,碳化硅粉料由粒度分别为100um、150um和200um的碳化硅陶瓷粉末混合而成,混合后碳化硅陶瓷粉料的纯度≥99,、堆积密度为1 .2g/cm3,

  [0054] 2)制备墨水,将胶水、碳源、添加剂和溶剂按质量百分浓度30,、40,、5,和25,进行搅拌混合形成悬浊液,其中胶水由自酚醛树脂、呋喃树脂和聚乙烯醇溶液按摩尔比2,

  1 ,1混合而成,碳源由粒度为400纳米的炭黑、20纳米的石墨烯和200纳米的石墨按摩尔比1 :

  3:2混合而成,添加剂由四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸铵、鲱鱼油和蓖麻油按摩尔比3:2: 1 : 1混合而成,溶剂由乙二醇和去离子水按摩尔比1 :2混合而成,将悬浊液转移至球磨机中进行充分球磨,使碳源与胶水及添加剂充分混合,得到球磨混悬液,再用200目的过滤网过滤球磨混悬液,得到墨水,墨水的粘度为13mPa· s,

  [0055] 3)制备生坯,采用3D喷墨法先铺一层步骤1)中碳化硅粉料,再喷射步骤2)中墨水,待所述墨水固化后,再重复铺步骤1)中的碳化硅粉和喷射步骤2)中墨水,根据预制陶瓷的形状喷射多层碳化硅粉和墨水,最后制得生坯,

  [0056] 4)烧结生坯,将步骤3)中制得的生坯置于高温烧结炉中进行渗硅反应烧结,烧结温度为1600℃,烧结完成后得到反应烧结碳化硅陶瓷。制得碳化硅陶瓷的性能参数列在表1中。

  [0060] 虽然本公开披露如上,但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员,在不脱离本公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

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