[發明專利]用膨脹石墨或柔性石墨紙制備碳化硅制品的方法

無效

• 申請號: 200710051723.4
• 申請日: 2007-03-26
• 公開（公告）號: CN101077776A
• 公開（公告）日: 2007-11-28
• 發明（設計）人: 曹宏;王學華;李儒;馬連姣
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 唐萬榮

技術領域

本發明涉及一種碳化硅制品的制備方法，具體涉及一種用膨脹石墨或柔性石墨紙制備碳化硅制品的方法。

背景技術

碳化硅(SiC)硬度高，僅次于金剛石和立方氮化硼，具有高的耐磨性、耐腐蝕性和高熱傳導性。碳化硅的應用領域非常廣泛，主要用作耐火隔熱材料、耐磨襯墊、動密封材料、散熱器件、發熱元件等。碳化硅制品制造方法很多，主要有高溫燒結法、化學氣相沉積法和液相硅浸漬法三類。

高溫燒結法是以碳化硅粉料為主體，添加少量燒結助劑經高溫燒結而成，也可不添加燒結助劑采用加壓燒結而成。大多數用作耐火隔熱的碳化材料都使用這種方法制備，但該方法難以制備厚度薄或形狀復雜的制品。

化學氣相沉積及其衍生方法(CVD法)主要是在特別制作的碳材料表面，以含硅氣體為反應源采用化學氣相沉積方法在碳材料表面形成一層SiC膜。該方法可以獲得高純度SiC膜，但成本高，所得到的SiC層厚度小，通常只有微米量級，難以制備大尺寸制品。薄膜和基體成分不一，微觀結構不一，因此制品整體結構不均勻。

液相硅浸漬法是用特別制作的具有某種孔隙率的碳材料為基體，在高溫熔融硅中浸漬反應而成。該種碳化硅材料又稱為硅化石墨。硅化石墨一般由SiC、Si和殘留石墨三相組成。在浸漬過程中碳與液態硅反應生成SiC，這一過程將引起體積膨脹使基體孔隙閉合，孔隙率降低，但孔隙不可能全部消失。在未完全閉合的孔隙中將充填未反應的結晶硅，而殘留石墨隨著反應程度不同其含量可以在較大范圍內變化，也可反應完全直至沒有殘留石墨。硅化石墨多用作密封材料。也可用作耐高溫材料，但由于游離硅的存在，特別當游離硅含量高時其高溫性能將惡化。硅化石墨制品的形狀取決于碳基體的形狀，通常是用機械加工的方法將碳基體加工成所需形狀和基本接近的尺寸。鑒于需要保留足夠的孔隙率以防止浸漬過程中出現脹裂等現象，碳基體的機械強度較低，所以也難以制備出形狀復雜或厚度很小的SiC制品。同時在機械加工過程中必將損失基體碳材料，不能使原材料得到充分利用。另外，液相硅浸漬法需要專門的高溫浸漬設備，既要保證高溫、惰性氣氛，還要能夠實現制品在熔融硅中的浸漬、提升，因此成本較高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用膨脹石墨或柔性石墨紙制備碳化硅制品的方法，該方法可以很方便地制作形狀復雜、厚度薄的碳化硅制品。

在此，“厚度薄”是指厚度在0.2mm-1cm之間；“形狀復雜”是指除可以制成片狀、薄板狀以外，還可以制成弧形、波紋狀、尖銳波紋狀、環狀、管狀等難以成型的形狀。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：用膨脹石墨或柔性石墨紙制備碳化硅制品的方法，其特征在于它包括如下步驟：

1)素坯成型：采用下述三種之一，

a)將膨脹石墨放入模具中以15-30MPa的壓力壓制成需要的形狀既得到可進一步處理的素坯；

b)如果是制造薄板狀、片狀、波紋狀、弧形板、弧形片等形狀的制品，直接用市售柔性石墨紙在模具中沖壓成所需形狀，沖壓壓力以能夠成型即可；在尺寸形狀要求不嚴格的場合也可用手工將石墨紙折成所需形狀；

c)當厚度不足所需時，用多層石墨紙疊在一起，并用任何只含有C、H、O元素的粘結劑將其粘接起來；在模具中沖壓成所需形狀，沖壓壓力以能夠成型即可；

2)涂敷硅粉：

a)稱取雜質重量百份含量≤1％，粒度＜50目的硅粉，硅粉和素坯的重量比為：硅粉/素坯＝(93-117)/100；

b)將硅粉均勻涂敷在素坯體上表面，將涂敷過硅粉的素坯體制成為生坯；

3)反應燒成：

a)將生坯放入高溫爐中，放置時必須將涂敷有硅粉的面朝上，并盡可能保持水平；

b)抽真空或充入惰性氣體，升溫到1800-2000℃，保溫15-45分鐘，自然冷卻至室溫，或自然冷卻至400-500℃，然后開爐快冷至室溫；得到所需要的碳化硅制品。

所述步驟2)中涂敷硅粉時，如果干硅粉涂敷不均勻或操作不便，硅粉先加入乙醇或丙酮等易揮發有機溶劑調成糊狀再進行涂敷；并將生坯于110-140℃烘干4小時以上。

所述步驟2)中，在硅粉中加入占硅粉重量≤3％的Nb、Ta、Mo或W等金屬粉。可以有效提高制品的強度。

所述步驟3)中的高溫爐指真空中頻爐或石墨電阻爐等所有能達到1800℃以上，能抽真空或通入氮氣、氬氣等惰性氣體的高溫爐。

所述步驟3)將生坯放入高溫爐中，在放置生坯時需防止生坯體受力變形，多層放置時需要使用碳素材料制成的棚架。

本發明具有以下有益效果：