一种致密的层状碳化硅陶瓷及其制备方法与流程

技术特征：
1.一种致密的层状碳化硅陶瓷，其特征在于，层状碳化硅陶瓷以薄片状碳化硅陶瓷为基本单元，各基本单元以叠层方式利用分立式碳化硅陶瓷柱连接的三层以上结构；层状碳化硅陶瓷中，碳化硅陶瓷基本单元和碳化硅陶瓷柱的相对致密度≥99％；按重量百分比计，碳化硅陶瓷基本单元和碳化硅陶瓷柱各自的成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成，平均晶粒尺寸在50nm～50μm。2.一种权利要求1所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，致密的层状碳化硅陶瓷的制备工艺包括：以碳化硅粉和高产碳率树脂为原料，配制碳化硅料浆
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以铝箔为模板，在铝箔单面或双面均匀涂挂碳化硅浆料
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热压致密化
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热解
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反应烧结
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高温除残余硅。3.按照权利要求2所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)碳化硅料浆配制按碳化硅粉、高产碳率树脂、固化剂、乙醇之间重量百分比例为60wt％～20wt％：19wt％～30wt％：1wt％～10wt％：20wt％～40wt％，将碳化硅粉、高产碳率树脂、固化剂和乙醇混合，经机械搅拌后，球磨、过滤得料浆；(2)涂挂将铝箔剪裁成所需形状和尺寸，单面或双面均匀地涂挂陶瓷，通过限位刮板除去多余料浆，使料浆达到设计的厚度，采用风干和加热方式使陶瓷料浆半固化，得到单层碳化硅陶瓷前驱体；(3)热压致密化将单层碳化硅陶瓷前驱体依次叠层，获得叠层前驱体；按照确定孔径尺寸和孔间距分布在叠层前驱体上钻孔；将均布钻孔的叠层前驱体放入加热的模具中进行高温、高压固化；在加热加压过程中，铝箔表面涂挂的部分半固化陶瓷料浆在高温高压的作用下，流动到叠层前驱体预钻孔的孔隙中，填充孔隙并逐渐固化，形成均匀分布的碳化硅陶瓷柱，使得叠层前驱体连接在一起，获得致密的层状碳化硅陶瓷前驱体；(4)热解将致密的层状碳化硅陶瓷前驱体在保护气氛或真空条件下进行热解，保护气氛为氩气、氮气或其它惰性气体，升温速率每分钟1～5℃，升温至600～1200℃，保温0.5～2小时，获得层状碳化硅陶瓷前驱体碳骨架；(5)反应烧结将热解后的层状碳化硅陶瓷前驱体碳骨架通过反应烧结渗硅，在层状碳化硅陶瓷前驱体碳骨架上方放置硅块，硅块尺寸范围为20mm～20目，硅块与碳骨架的重量比为(0.2～0.7)：1，在保护气氛或真空条件下进行，保护气氛为氩气、氮气或其它惰性气体，升温速率为每分钟5～15℃，温度为1500～1900℃，保温0.5～4小时，得富“硅”的层状碳化硅陶瓷材料；(6)高温除掉残余硅将富“硅”的层状碳化硅陶瓷材料放在富“碳”的垫板上，富“碳”的垫板为石墨纸、石墨板或碳颗粒，在真空条件下进行，升温速率为每分钟5～15℃，温度为1700～1900℃，保温0.5～2小时，除掉层状碳化硅陶瓷材料的层间隙中未反应的残余硅，获得致密的层状碳化
硅陶瓷。4.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，高产碳率树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、酚醛/酚糠醛树脂之一种或两种以上，固化剂选自对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸，固化剂的含量为树脂重量的1～20％，碳化硅粉的平均粒度为10nm～50μm，料浆中固形物的重量为料浆总量的30～80％。5.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，半固化时的加热方式为：在50～100℃温度下，时间10分钟～2小时。6.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热压致密化过程中，加压的压力为10～80mpa，加热的温度在100～300℃，升温速度1～5℃，保温5分钟～3小时。7.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，在热解过程中，热解温度在800～1000℃范围，升温速率2～4℃/min。8.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，铝箔为工业包装用铝箔，厚度0.1～1mm；热解后的层状碳化硅陶瓷前驱体需要除去铝箔，除去铝箔的方法有两种：一是利用反应烧结的高温使铝箔气化除掉铝箔；二是在热解后利用酸碱溶液与铝反应除掉铝箔。9.按照权利要求3所述的致密的层状碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，当步骤(5)中的硅块与碳骨架的重量比为(0.2～0.3)：1范围内，取消高温除掉残余硅过程。

技术总结
本发明涉及层状陶瓷的制备技术，具体地说是一种致密的层状碳化硅陶瓷及其制备方法。层状碳化硅陶瓷以薄片状碳化硅陶瓷为基本单元，各基本单元以叠层方式利用分立式碳化硅陶瓷柱连接的三层以上结构；层状碳化硅陶瓷中，碳化硅陶瓷基本单元和碳化硅陶瓷柱的相对致密度≥99％；按重量百分比计，碳化硅陶瓷基本单元和碳化硅陶瓷柱各自的成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成，平均晶粒尺寸在50nm～50μm。本发明利用层状碳化硅陶瓷的层状结构间隙，将韧性相(如：金属、聚合物等)填充到层状结构间隙中，在承受冲击载荷时，可以改变裂纹的传输途径、扩展机制、降低材料对裂纹的敏感性，进而提高陶瓷的韧性。进而提高陶瓷的韧性。


技术研发人员：张劲松 曹小明 杨永进 金鹏 徐奕辰 刘强
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2020.05.20
技术公布日：2021/11/25