本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及晶硅片切割刃料尾料反應(yīng)燒結(jié)制備細(xì)粉碳化硅陶瓷機(jī)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅的制備工藝主要有無(wú)壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)。無(wú)壓燒結(jié)是在常壓下采用惰性氣氛保護(hù)，通過燒結(jié)助劑進(jìn)行燒結(jié)的工藝。通常有b、al、fe、cr、ca、y等元素或者其氧化物作為燒結(jié)助劑促進(jìn)碳化硅燒結(jié)的致密化。根據(jù)燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程的相態(tài)分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種。1974年sprochazka以高純度β-sic細(xì)粉為原料，采用b和c作為燒結(jié)助劑在2020℃無(wú)壓固相燒結(jié)制備碳化硅陶瓷，致密度達(dá)到了98％，彎曲強(qiáng)度達(dá)到500mpa，燒結(jié)傳質(zhì)方式為擴(kuò)散機(jī)制。通過力學(xué)性能研究測(cè)試發(fā)現(xiàn)該工藝下獲得的制品斷裂方式為穿晶斷裂，由于在高溫下晶粒尺寸粗大，均勻性差，斷裂韌性較低。另外對(duì)原料純度要求較高，而且燒結(jié)溫度大于2000℃，能耗過高。液相燒結(jié)機(jī)理為在燒結(jié)溫度下燒結(jié)助劑形成共熔液相，燒結(jié)傳質(zhì)方式變?yōu)檎承粤鲃?dòng)傳質(zhì)，降低了燒結(jié)溫度，減少了能耗，斷裂方式為沿晶斷裂。劉寶英等采用4.5％～7.5％氧化鋁、2.5～5.5％氧化釔作為燒結(jié)助劑，燒結(jié)溫度為1780℃，制備出的材料密度為3.13g/cm³，室溫下彎曲強(qiáng)度達(dá)到了405mpa。由于液相揮發(fā)會(huì)造成陶瓷的致密度下降，因此強(qiáng)度略有下降，同時(shí)液相存在也影響材料的高溫使用性能。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷直接采用一定顆粒級(jí)配的碳化硅，與碳混合后成型生坯，然后在高溫下進(jìn)行滲硅，部分硅與碳反應(yīng)生產(chǎn)碳化硅與原來坯體中的碳化硅結(jié)合,達(dá)到燒結(jié)目的。滲硅的方法有兩種：一種是溫度達(dá)到硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的液相，通過毛細(xì)管的作用，硅直接進(jìn)入坯體與碳反應(yīng)生產(chǎn)碳化硅至燒結(jié)；另一種是溫度大于硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的蒸氣，通過硅蒸氣深入坯體達(dá)到燒結(jié)目的。前一種方法燒結(jié)后殘留的游離硅一般較多，通常達(dá)到10～15％，有時(shí)會(huì)達(dá)到15％以上；用氣相法滲硅，由于坯體的預(yù)留氣孔可以盡量少，燒結(jié)后的游離硅含量可降低到10％。和無(wú)壓燒結(jié)相比，反應(yīng)燒結(jié)能在較低溫度(1450～1700℃)下完成，燒結(jié)后的產(chǎn)品收縮僅在3％以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)近凈尺寸燒結(jié)，碳與碳化硅的骨架可以預(yù)先車削成任何形狀，這有利于產(chǎn)品尺寸和形狀控制。采用的原料碳化硅、c結(jié)合劑等均無(wú)需特殊處理，生產(chǎn)成本較低。但是，反應(yīng)燒結(jié)工藝決定了燒結(jié)坯體中殘留游離硅，這部分對(duì)以后產(chǎn)品的應(yīng)用產(chǎn)生影響，一方面使得燒結(jié)體的強(qiáng)度和耐磨性下降，另一方面游離硅的存在降低了碳化硅的耐酸堿性能。

由于反應(yīng)燒結(jié)生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，所以國(guó)內(nèi)大部分碳化硅密封件、碳化硅軸承、碳化硅噴嘴等生產(chǎn)廠家所選擇。但是普通的反應(yīng)燒結(jié)工藝采用顆粒級(jí)配的碳化硅作為原料，雜質(zhì)含量高，粒徑分布寬(10～50微米)導(dǎo)致反應(yīng)燒結(jié)材料的性能不高。近年來部分研究采用納米級(jí)超細(xì)碳化硅微粉為原料制備出燒結(jié)密度為3.057g/cm³，彎曲強(qiáng)度達(dá)到800mpa以上的碳化硅陶瓷，顯微硬度為28.1gpa。極大的提高了材料的機(jī)械性能，但納米級(jí)的碳化硅微粉原料售價(jià)在萬(wàn)元/噸以上，生產(chǎn)成本過高，不利于規(guī)模化推廣。

細(xì)粉sic陶瓷具有比普通sic陶瓷具有更高的強(qiáng)度和硬度等優(yōu)異的性能。由于普通的反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷原料采用級(jí)配，粒徑分布較寬，導(dǎo)致性能不理想，因此探索以成本極低的晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉為原料制備反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，具有十分廣闊的市場(chǎng)空間和良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請(qǐng)以晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉為細(xì)粉原料反應(yīng)燒結(jié)細(xì)粉碳化硅陶瓷，極大降低了制備成本，原料粉體通過化學(xué)法除雜，在混料機(jī)內(nèi)將原料碳化硅細(xì)粉、炭黑以及各種燒結(jié)助劑混合均勻，注漿成型后烘干，最后高溫滲硅，制備性能優(yōu)異的細(xì)粉碳化硅陶瓷。

具體的，本發(fā)明提供的細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟：

s1：將炭黑、細(xì)粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料，其中，所述細(xì)粉碳化硅為粒徑為3.2～3.9微米的晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉，所述炭黑和所述細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：6～8，所述分散劑和所述細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：120～150，所述減水劑和所述細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：800～1800，所述分散介質(zhì)和所述細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：20～25；

s2：將所述混合漿料注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在75～85℃烘干4～6小時(shí)；

s3：將烘干后的坯料用由氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末進(jìn)行包埋，之后依次于真空狀態(tài)下100～300℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障略?50～850℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下升溫至1650～1720℃燒結(jié)，得到所述細(xì)粉碳化硅陶瓷，其中，混合粉末中炭黑、硅粉、氮化硼的質(zhì)量比為1:50：1000～1250。

優(yōu)選地，所述分散劑為聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物，所述混合物中聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90按照質(zhì)量比1:6～12的比例混合。

優(yōu)選地，所述減水劑為聚羧酸減水劑ce-64。

優(yōu)選地，所述分散介質(zhì)為去離子水。

優(yōu)選地，s1中，將炭黑、細(xì)粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料的具體步驟為：將炭黑、細(xì)粉碳化硅、分散劑和減水劑加入分散介質(zhì)中，攪拌4～5小時(shí)，室溫下測(cè)試粘度小于等于800mpa.s。

優(yōu)選地，s3中的燒結(jié)步驟是：s3中的燒結(jié)步驟是：包埋后的坯料依次在真空狀態(tài)下150～200℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障?60～600℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下升溫至1650～1720℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫。

本發(fā)明還提供了一種細(xì)粉碳化硅陶瓷，由上述任一所述的制備方法制得。

優(yōu)選地，所述碳化硅陶瓷的密度為3.03～3.05g/cm³，彎曲強(qiáng)度為550～580mpa。

本發(fā)明提供的細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，工藝簡(jiǎn)單，以成本極低的晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉為細(xì)粉原料反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，極大降低了制備成本，選擇聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物作為分散劑，聚羧酸減水劑ce-64作為減水劑，對(duì)粒徑在3.2～3.9微米之間的晶硅片切割刃料尾料起到很好的分散作用；選用氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末對(duì)坯料進(jìn)行包埋，以控制最終產(chǎn)品中的游離硅含量，增強(qiáng)了產(chǎn)品的機(jī)械性能，提高了產(chǎn)品的最高使用溫度；所制得的細(xì)粉碳化硅陶瓷機(jī)械性能好，致密度高，具有比普通sic陶瓷具有更高的強(qiáng)度和硬度等優(yōu)異的性能，具有十分廣闊的市場(chǎng)空間和良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2提供的細(xì)粉碳化硅陶瓷的斷口掃描圖片。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案能予以實(shí)施，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

一種細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：

s1：將炭黑、細(xì)粉碳化硅、分散劑、減水劑和分散介質(zhì)混合，得到混合漿料，其中，細(xì)粉碳化硅為粒徑為3.2～3.9微米的晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉，炭黑和細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：6～8，分散劑和細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：120～150，減水劑和細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：800～1800，分散介質(zhì)和細(xì)粉碳化硅的質(zhì)量比為1：20～25；

s2：將混合漿料注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在75～85℃烘干4～6小時(shí)；

s3：將烘干后的坯料用由氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末進(jìn)行包埋，之后依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至100～300℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障乱?℃/min的速度升溫至350～850℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1650～1720℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫，得到所述細(xì)粉碳化硅陶瓷，其中，混合粉末中炭黑、硅粉、氮化硼的質(zhì)量比為1:50：1000～1250。

上述選用晶硅片切割刃料尾料細(xì)粉作為細(xì)粉原料反應(yīng)燒結(jié)sic陶瓷，極大降低了制備成本，其原料粉體通過化學(xué)法除雜，在混料機(jī)內(nèi)將原料碳化硅細(xì)粉、炭黑以及各種燒結(jié)助劑混合均勻，注漿成型后烘干，最后高溫滲硅，得到一種高致密、細(xì)顆粒反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷。

由于作為原料粉體的晶硅片切割刃料尾料粒徑在3.2～3.9微米之間，分散很困難，選擇分散劑和減水劑制備均勻的漿料是制備碳化硅陶瓷的技術(shù)難點(diǎn)，因此，上述分散劑選用聚乙烯吡咯烷酮，優(yōu)選地，選擇一定比例的聚乙烯吡咯烷酮-k30和聚乙烯吡咯烷酮-k90的混合物，通過聚合度的組合調(diào)整，滿足體系中粘度和強(qiáng)度的需要；減水劑選用聚羧酸減水劑ce-64，以降低粘度和增加穩(wěn)定性，對(duì)晶硅片切割刃料尾料起到很好的分散作用，得到了均勻的混合漿料；由于目標(biāo)產(chǎn)品中的游離硅含量對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能及最高使用溫度影響很大，本申請(qǐng)?jiān)谥苽溥^程中通過氮化硼、炭黑和硅粉組成的混合粉末對(duì)坯料進(jìn)行包埋，以控制最終產(chǎn)品中的游離硅含量，增強(qiáng)了產(chǎn)品的機(jī)械性能。

以下就本發(fā)明提供的制備方法制備細(xì)粉碳化硅陶瓷進(jìn)行具體的舉例說明。

實(shí)施例1

一種細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.2微米的細(xì)粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90、0.5g聚乙烯吡咯烷酮-k30、0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到40g去離子水中，機(jī)械攪拌5小時(shí)混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)室溫下測(cè)試粘度不高于800mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以80℃烘干5小時(shí)；將烘干后的樣品以硅含量為70g的氮化硼炭黑混合粉進(jìn)行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.4g、硅粉70g、氮化硼1400g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至150℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障乱?℃/min的速度升溫至600℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1700℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.05g/cm³，彎曲強(qiáng)度為580mpa。

實(shí)施例2

一種細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.6微米的細(xì)粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90，1g聚乙烯吡咯烷酮-k30，0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到36g去離子水中，機(jī)械攪拌5小時(shí)混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)室溫下測(cè)試粘度不高于700mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以80℃烘干5小時(shí)；將烘干后的樣品以硅含量為80g的氮化硼炭黑混合粉進(jìn)行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.6g、硅粉80g、氮化硼1920g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至150℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障乱?℃/min的速度升溫至600℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1700℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.03g/cm³，彎曲強(qiáng)度為550mpa。

實(shí)施例3

一種細(xì)粉碳化硅陶瓷的制備方法，包括如下步驟：

將140g炭黑、860g粒徑為3.9微米的細(xì)粉碳化硅，6g聚乙烯吡咯烷酮-k90，1g聚乙烯吡咯烷酮-k30，0.5g的聚羧酸減水劑ce-64，加入到36g去離子水中，機(jī)械攪拌5小時(shí)混合均勻，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)室溫下測(cè)試粘度不高于700mpa.s，得到混合漿料；

將混合漿料采用注漿成型，得到坯料，將成型后的坯料在烘箱內(nèi)以85℃烘干5小時(shí)；將烘干后的樣品以硅含量為80g的氮化硼炭黑混合粉進(jìn)行包埋，其中，混合粉末由炭黑1.6g、硅粉80g、氮化硼1760g組成。置于燒結(jié)爐內(nèi)，依次于真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至200℃干燥2個(gè)小時(shí)，氮?dú)鈿夥障乱?℃/min的速度升溫至580℃排膠3個(gè)小時(shí)，真空狀態(tài)下以5℃/min的速度升溫至1650℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后隨爐溫冷卻至室溫，樣品取出后打磨得到最終制品。最終樣品的密度為3.06g/cm³，彎曲強(qiáng)度為570mpa。

對(duì)實(shí)施例2所制備的細(xì)粉碳化硅陶瓷進(jìn)行sem測(cè)試及彎曲強(qiáng)度測(cè)試，將燒結(jié)后的樣品取出制樣，尺寸為3×3×36mm的長(zhǎng)條，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)做三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試，然后在掃描電鏡下觀察斷口形貌。實(shí)施例2所得樣品斷口形貌如圖2所示。從圖中可以看出碳化硅顆粒大小為3.6微米左右，沒有發(fā)現(xiàn)較大的氣孔分布，結(jié)構(gòu)均勻，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試顯示彎曲強(qiáng)度達(dá)到了550mpa，這與其高致密度及氣孔含量少有著密切關(guān)系。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，其保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。