特种陶瓷课程设计无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺计.doc

北方民族大学课程设计报告　　系（部、中心） 材料科学与工程学院 　 姓 名 学 号 　 专 业 材料科学与工程 班 级 材料（一）班 　 同组人员 　 课程名称 特陶课程设计 　 设计题目名称 无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺计 　 起止时间　　　2011-5-23-2011-6-5　　　　　　　　　　　　　　成 绩 　 指导教师签名 　 北方民族大学教务处制 目录一、产品简介………………………………………………..21.1 碳化硅陶瓷的发展情况……………………………………….21.2 SIC结晶形态和晶体结构……………………………………21.3 本方案的目的及意义…………………………………………2二、工艺概述………………………………………………32.1 SiC原料的制备………………………………………………32.1.1原料选择…………………………………………………….32.1.2 浆料的制备过程……………………………………………..32.1.3 喷雾造粒………………………………………………..........32.2 SiC陶瓷的成型……………………………………...32.3 碳化硅陶瓷的烧结…………………………………….42.3.1 SiC陶瓷烧结特点…………………………………………..42.3.2 添加剂的作用………………………………………………..42.3.3 SiC的烧结方法………………………………………….62.4 精密加工……………….…………………………………9三、生产技术要求………………………………………103.1 SiC粉体的制备技术要求……………………………………103.2喷雾造粒的技术要求…………………………………………103.3坯料的成型技术要求…………………………………………113.4烧结技术要求…………………………………………………11四 、生成设备………………………………………………124.1 本方案选择的设备………………………………………….124.2 设备详述……………………………………………………..13五、SiC陶瓷性能检测及结果分析………………….22六、 参考文献…………………………………………...25七、小结………………………………………………………..25附录一：SiC陶瓷成型采用的模具及产品……………………….26附录二：SiC陶瓷生产工艺流程图……………………………..26附录三：SiC生产工艺平面布置图……………………………….27一、产品简介1.1 碳化硅陶瓷的发展情况碳化硅（SiC）陶瓷是以SiC为主要成分的陶瓷，SiC在自然界中几乎不存在，只在陨石中偶有发现。

1893年美国人Acheson最早用SiO2碳还原法（SiO2+3C=SiC+2CO(g)）人工合成SiCf粉末，该法至今仍是碳化硅粉体合成机材料制备的主要方法，其后又建立了硅-碳直接合成法、气相沉积法、激光法、有机前驱体法等随着现代科学技术的发展，尤其是共价键材料烧结理论的建立，从20世纪60年代以来，碳化硅作为结构材料使用，在此之前主要用于磨料、耐火材料和发热元件的使用1974年美国科学家Prochazka首先成功地采用亚微米级β－SiC和少量的B、C添加剂作原料，通过无压烧结工艺制得了致密的碳化硅陶瓷从此，碳化硅成为非常重要的高温结构材料，已形成一个新兴产业1.2 SiC结晶形态和晶体结构碳化硅是共价键非常强的化合无，其晶体结构的基本结构单元是SiC4和SiC4配位四面体，通过定向的强四面体SP键结合在一起，并有一定程度的极化Si的电负性1.8，C的电负性为2.6，由此可以确定Si-C键的离子键性仅占12%左右四面体共边形成平面层，并以定点与下一叠层四面体相连形成三维结构，由于四面体的堆积次序的不同，可以形成不同的结构，至今已发现几百种变体，常见的晶型有六方晶系的α－Si和立方晶系β－SiC。

α－Si有上百种变体，其中最主要的是4H、6H、15R、等4H、6H属于六方晶系，在2100℃和2100℃以上是稳定的；15R-SIC为菱面（斜方六面）晶系，在2000℃以上是稳定的H和R代表六方和斜方六面型)β－SiC只有一种，属立方晶系，密度为3.215g/cm3 β－SiC在2100℃以下是稳定的，高于2100℃时，β－SiC开始转变为α－Si，转变速率很慢，到2400℃转变速率迅速，这种转变在一般情况下是不可逆的，在2000℃以下合成的SIC主要是β－SiC，在2200℃以上合成的主要是α－Si，而且以6H为主1.3 本方案的目的及意义碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的碳化硅材料,其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料因而是制造密封环的理想材料它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用本方案通过以下制备工艺，制备出满足以上要求的碳化硅陶瓷密封环二、工艺概述2.1 SiC原料的制备2.1.1原料选择98%的亚微米α-SiC 粉，其平均粒径为0.6ｕm SiC粉：385.6g,酚醛树脂：24.03 g，HT树脂:38.57 g (用20ml水溶解)，油酸：4ml ，B4C:4.04g，聚胺脂球磨介：800.96g，乙醇：140ml，Darayn-c 1ml,蒸馏水240ml(PH>10)+20 ml。

2.1.2 浆料的制备过程将按配比称好的亚微米级 SiC 粉、蒸馏水（加240 ml， 留20ml溶解HT）B4C、无水乙醇（由于酚醛的粘度很大，很容易粘在器壁上，最好用乙醇溶解酚醛树脂后再一起加入）、聚胺脂球放入硬质塑料罐,然后分别将作为粘结剂、增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂、Darayn-c 油酸按比例加入后湿法球磨1 h, 然后再加入一定量的 HT 树脂（预先用20ml水溶解），再继续球磨 0.5 h得到稳定的浆料浆料粘度测定使用 NDJ- 1 型旋转式粘度计, 以确定合适的浆料固含量及有机添加剂的用量 2.1.3 喷雾造粒喷雾造粒时, 为了保持浆料的均匀性, 利用磁力搅拌器边搅拌边进料浆料通过低喷式压力喷嘴雾化, 按混流方式与热空气混合并被干燥形成颗粒粉料干燥过程中主要控制的工艺参数有浆料的固含量、 粘结剂的含量、 进出口温度、 压力及进料速率等喷雾造粒结束后，测量其流动性和松装密度2.2 碳化硅陶瓷的成型2.2.1钢模压制成型（干压法）称取上一步喷雾造粒好的SiC 粉体40g，并将其放入预先润滑过的瓷环金属模内,敲匀落实后，放在压机上受压,所加压力为16t,使之密实成型,取出脱模。

此法最大优势在于易于实现自动化,所以在工业生产中得到较大的应用本方案采用此法）2.2.2等静压成型等静压成型是通过施加各项同性压力而使粉料一边压缩一边成型的方法，等静压力可达300MPa左右，在常温下成型时称为冷等静压成型,在几百摄氏度到 2000 温区内成型时称为热等静压成型，等静压有两种方式:干袋法和湿袋法，湿袋法是将粉末或颗粒密封于成型橡胶模型内, 置于高压容器中的液体内,施加各向同性压力而被压缩成型，干袋法介于湿袋法和干压法之间,用液体作压力传递介质,但压力只施加于柱状模具的径向外壁,模具轴向基本上不受力等静压制有以下优点:能压制具有凹形 空心、细长件以及其他复杂形状的零件;摩擦损耗小,成型压力低;压力从各个方面传递,压坯密度分布均匀，压坯强度高,模具制作方便,寿命长,成本较低，但等静压制也有缺点:压坯尺寸和形状不易精确控制,生产率较低,且投资大,操作较复杂,成型在高压下操作,容器及其它高压部件需要特别防护2.3 碳化硅陶瓷的烧结2.3.1 SiC陶瓷烧结特点SiC是一种共价键很强的化合物，加上它的扩散系数很低（即在2100℃，C和Si在α-Si单晶中扩散系数分别为DC =1.5×10-10 cm2/s,Dsi=2.5×10-13 cm2/s,在β－SiC多晶中自扩散系数分别为DC =1.0×10-10 cm2/s,Dsi=8.9×10-13 cm2/s,，β－SiC晶体晶面扩散系数为DC =1.0×10-5 cm2/s），所有很难烧结。

像其它共价结合化合物，没有专门添加剂的SiC是不能烧结的，这种行为源于相对弱的体积扩散由于强的单向键合以及气相迁移机理（蒸发-在凝聚）在相邻粒子间只形成颈部，不发生收缩（Popper和Davies1962）2.3.2 添加剂的作用1）硼（B）和碳(C)的作用通过晶界或体积扩散致密化的一个前提是用六方α型或立方β型的亚微米粉末烧结添加物量相对碳化硼要求较少，大致在0.2%-3.0wt%之间，Prochazaka指出，0.3 wt%B和 0.2wt%C同时加入到细的β-SIC粉末中，采用2040℃、在He气流中烧结可获得95%-99%理论密度，只用C加入则没有收缩，除碳以外没有发现第二相导出的结论是：致密化发生是由于固态扩散，通常B取代C，但它也可以进入SI位置，一种可能的缺陷反应由Prochazka提出： B→BL1-+h0+Vc,si即B三价地进入亚晶格中，要求一电子来完成键对和分别在其它C或Si亚晶格中产生一中性空穴h0和一空位V，另一种反应并不要求形成一空位是：B+C→Bsi+Cc+ h0 此处B占有一硅位置产生一空穴，而C进入C位置碳化硅的无压烧结可分成固相烧结和液相烧结两种。

固相烧结是美国科学家Prochazka于1974年首先发明的他在亚微米级得β－SiC中添加少量的B和C,实现了SIC无压烧结，制得接近理论密度95%的致密烧结体Prochazka认为，扩散烧结的难易与γG晶界能和γS表面能的比例大小有关，γG /γs<时，能促进烧结，SiC的晶界能和比表面能的比值γG /γs很高(>)时，很难烧结然而，在SiC中加B和B的化合物，B在晶界选择性偏析，部分B和SiC形成固溶体，降低了SIC的晶界表面能γG，使γG /γs减小，增大了烧结驱动力，促进了烧结由于SiC表面常有一薄层SiO2，在1700℃左右，SiO2融融分布在晶界处，使SiC颗粒之间接触机会减少，抑制了烧结加入C可与表面SiO2发生SiO2+3C→SiC+2CO↑的反应，使表面能由2.5×10-5J/cm2提高到1.8×10-4 J/cm2，从而使γG /γs减小，有利于烧结而日本的铃木弘茂认为，SIC难以烧结是由于SiC的表面扩散在低温下很快，导致粒子粗大化，不利于烧结，研究发现的C和B的左右机理与Prochazka的大不相同，他认为，①B和C共同对粒子成长起了有效的抑制作用；②各自单独使用时，不能导致充分的致密化，即仅抑制表面扩散是不够的，要通过。