一种高纯高致密碳化硅陶瓷及其制造方法与流程

本发明涉及一种陶瓷及其制造方法，属于工程陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高纯高致密碳化硅陶瓷及其制造方法。

背景技术：

碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能，如高强度、高硬度等，能够应用于各种力学强度要求高的常温承载部件。同时，碳化硅又具有优良的抗氧化性、高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的，因此又被广泛应用于耐高温承载部件。

碳化硅陶瓷根据配方体系和烧结工艺的不同，一般可分为反应烧结、无压烧结和重结晶烧结体系。不同的材料体系获得了不同的性能，可以应用于不同的工况，如无压烧结碳化硅陶瓷，以碳化硼和碳作为烧结助剂，耐腐蚀性能好，特别适合应用于强酸强碱的化工领域；反应烧结碳化硅陶瓷成本低，以硅作为第二结合相，特别适合应用于温度在1300度以内的高温窑炉领域。重结晶碳化硅陶瓷由于不含有任何第二相，抗氧化性能好，特别适用于温度1300度以上的高温窑炉领域，同时由于其烧结温度高，金属杂质相对较低，在一些金属杂质含量高的领域应用较广，但存在的缺点是结构强度较低。

半导体领域，特别是涉及到高纯硅高温热处理的领域，对陶瓷的需求越来越大。其中第一个要求是耐高温，通常在1300度左右。第二要求是高纯度。高温下不能有金属杂质的析出，要求金属杂质含量在100ppm以内，特别是要求b元素含量要低于10ppm。第三个要求是高荷载，要求材料具有高的结构强度。应该来说，目前通常的碳化硅陶瓷材料均不能满足以上应用，这些领域中大都是采用高纯的石墨表面化学气相沉积碳化硅涂层的材料解决，成本非常高。因此急需找到一种低成本的高纯高致密碳化硅陶瓷及其制造方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种高纯高致密碳化硅陶瓷及其制造方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高纯高致密碳化硅陶瓷，由以下重量含量的各物质制成：

粒度级配碳化硅微粉85-95％、

炭黑5-15％、

热固性酚醛树脂树脂6-10％、

四甲基氢氧化铵0.3-0.8％、

纯水0.5-1.5％。

进一步地，粒度级配碳化硅微粉由以下重量含量的混合粉体组成：

粒度为45-50μm的碳化硅微粉50-55％、

粒度为9-11μm的碳化硅微粉45-50％。

进一步地，碳化硅微粉的纯度大于98wt％。

进一步地，炭黑的粒径为40-50um，炭黑的纯度大于98wt％。

进一步地，粒度级配碳化硅微粉的重量含量为88-92％，炭黑的重量含量为8-12％，热固性酚醛树脂树脂的重量含量为8％，四甲基氢氧化铵的重量含量为0.5％，纯水的重量含量为0.8％。

高纯高致密碳化硅陶瓷的制造方法的步骤为：

(一)、配制混合粉体：将重量含量为50-55％的碳化硅微粉(粒度为45-50μm)和45-50％的碳化硅微粉(粒度为9-11μm)混合配成粒度级配碳化硅微粉，随后将重量含量为85-95％的粒度级配碳化硅微粉以及5-15％的炭黑相混合，配成混合粉体；

(二)、配置浆料：将重量含量为6-10％的热固性酚醛树脂树脂、0.3-0.8％的四甲基氢氧化铵以及纯水相混合值得混合辅料，随后将步骤(一)得到的混合粉体与混合辅料相加入球磨机搅拌，得到均匀的浆料，浆料的固含量控制在50-60％。

(三)、喷雾造粒：将步骤(二)得到的浆料进行喷雾造粒，进口温度控制在220-250度，出口温度控制在95-110度，粉料含水率控制在重量含量0.5-1.5％。

(四)、成型：将步骤(三)得到的喷雾造粒粉体通过干压成型或等静压成型或浇注成型得到满足要求的陶瓷素胚；

(五)、干燥固化：将陶瓷素胚烘箱中进行固化，固化温度控制在120-160℃，固化时间为2小时；

(六)、素胚加工：将陶瓷素胚按照不同的要求，加工出满足要求的陶瓷素胚；

(七)、高温纯化处理：将加工后的陶瓷素坯在高温石墨电阻炉中进行纯化热处理处理，热处理的温度为2100-2200℃，热处理时间为2小时，保护气为氩气，纯化的载气为氟利昂气体，流量为5-10立方每小时；

(八)、高温反应烧结：将纯化处理后的陶瓷毛坯在高温石墨电阻炉中进行高温烧结，所使用的埋粉为高纯硅粉，粒度为0.5-5mm，纯度大于99.99％。烧结温度为1600-1800℃，烧结时间为2小时；

(九)、喷砂处理：将烧结后的碳化硅陶瓷毛坯管材进行表面喷砂处理；

(十)、精加工：将喷砂处理后的碳化硅陶瓷按照要求进行精加工；

(十一)、清洗：将精加工的碳化硅陶瓷首先经过氢氧化钠溶液清洗，清洗温度在70-80度，所用氢氧化钠溶液的浓度为5-10％，而后将精加工的碳化硅陶瓷用去离子水冲洗；

(十二)、包装：将清洗后的碳化硅陶瓷在氮气排空后进行真空包装。

本发明有效的保证了原料各成分的均匀性，特别是烧结后游离硅的均匀性，有效提高了材料的室温和高温强度，碳化硅原材料的金属杂质含量大幅降低，相比传统的氯化氢和氟化氢，安全性大幅提高，并且烧结后的金属杂质含量大幅降低。

附图说明

图1为高纯高致密碳化硅陶瓷制造工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的一种高纯高致密碳化硅陶瓷，由以下重量含量的各物质制成：

粒度级配碳化硅微粉85-95％、

炭黑5-15％、

热固性酚醛树脂树脂6-10％、

四甲基氢氧化铵0.3-0.8％、

纯水0.5-1.5％。

粒度级配碳化硅微粉由以下重量含量的混合粉体组成：

粒度为45-50μm的碳化硅微粉50-55％、

粒度为9-11μm的碳化硅微粉45-50％。

高纯高致密碳化硅陶瓷的制造方法的步骤为：

(一)、配制混合粉体：将重量含量为50-55％的碳化硅微粉(粒度为45-50μm)和45-50％的碳化硅微粉(粒度为9-11μm)混合配成粒度级配碳化硅微粉，随后将重量含量为85-95％的粒度级配碳化硅微粉以及5-15％的炭黑相混合，配成混合粉体；

(二)、配置浆料：将重量含量为6-10％的热固性酚醛树脂树脂、0.3-0.8％的四甲基氢氧化铵以及纯水相混合值得混合辅料，随后将步骤(一)得到的混合粉体与混合辅料相加入球磨机搅拌，得到均匀的浆料，浆料的固含量控制在50-60％。

(三)、喷雾造粒：将步骤(二)得到的浆料进行喷雾造粒，进口温度控制在220-250度，出口温度控制在95-110度，粉料含水率控制在重量含量0.5-1.5％。

(四)、成型：将步骤(三)得到的喷雾造粒粉体通过干压成型或等静压成型或浇注成型得到满足要求的陶瓷素胚；

(五)、干燥固化：将陶瓷素胚烘箱中进行固化，固化温度控制在120-160℃，固化时间为2小时；

(六)、素胚加工：将陶瓷素胚按照不同的要求，加工出满足要求的陶瓷素胚；

(七)、高温纯化处理：将加工后的陶瓷素坯在高温石墨电阻炉中进行纯化热处理处理，热处理的温度为2100-2200℃，热处理时间为2小时，保护气为氩气，纯化的载气为氟利昂气体，流量为5-10立方每小时；

(八)、高温反应烧结：将纯化处理后的陶瓷毛坯在高温石墨电阻炉中进行高温烧结，所使用的埋粉为高纯硅粉，粒度为0.5-5mm，纯度大于99.99％。烧结温度为1600-1800℃，烧结时间为2小时；

(九)、喷砂处理：将烧结后的碳化硅陶瓷毛坯管材进行表面喷砂处理；

(十)、精加工：将喷砂处理后的碳化硅陶瓷按照要求进行精加工；

(十一)、清洗：将精加工的碳化硅陶瓷首先经过氢氧化钠溶液清洗，清洗温度在70-80度，所用氢氧化钠溶液的浓度为5-10％，而后将精加工的碳化硅陶瓷用去离子水冲洗；

(十二)、包装：将清洗后的碳化硅陶瓷在氮气排空后进行真空包装。

该碳化硅陶瓷的组成中，碳化硅微粉的纯度大于98wt％，炭黑的粒径为40-50um，炭黑的纯度大于98wt％。

当粒度级配碳化硅微粉的重量含量为88-92％，炭黑的重量含量为8-12％，热固性酚醛树脂树脂的重量含量为8％，四甲基氢氧化铵的重量含量为0.5％，纯水的重量含量为0.8％时，为较佳的原料重量配比。

通过本发明的原料组成、重量配比以及制作工艺生产的碳化硅陶瓷中金属杂质含量低于100ppm，硼元素含量低于1ppm，并且其致密度高于99％，密度高于3.05/cm³，且其室温和高温强度(1200℃)高于300mpa。

本发明与已有的碳化硅陶瓷比较，具有以下的优点：

a、碳化硅陶瓷的纯度大幅降低，相比传统的无压烧结，无b元素。相比传统的反应烧结和重结晶碳化硅陶瓷，金属杂质含量低于100ppm，能够应用于纯度高的光伏、光电led和半导体领域。

b、相比传统的反应烧结碳化硅陶瓷窑具，致密度高，传统的通常低于3.05/cm3，能够应用于高致密度要求的工况场合。

c、相比传统的重结晶碳化硅陶瓷，室温和高温强度高。能够用于结构承载件，特别是1200-1300℃高温工况。

本发明与已有的碳化硅陶瓷制造方法比较，具有以下的优点：

a、采用了喷雾造粒工艺，有效的保证了原料各成分的均匀性，特别是烧结后游离硅的均匀性，有效提高了材料的室温和高温强度。

b、采用了高温纯化工艺，确保碳化硅原材料的金属杂质含量大幅降低。

c、采用氟利昂作为高温纯化气体，相比传统的氯化氢和氟化氢，安全性大幅提高。

d、采用了高纯硅粉作为第二相反应渗硅，确保烧结后的金属杂质含量大幅降低。

如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比，所述的聚合物分子量为数均分子量。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例一、

通过该发明工艺制造一种高纯度高致密碳化硅陶瓷吸盘，尺寸为外径290mm，厚度为18mm，带有复杂的流道结构，应用于高温、高纯工况。

碳化硅陶瓷由以下质量份的成分组成：

碳化硅90份；高纯硅8份；

金属杂质含量低于100ppm；

硼元素含量低于1ppm；

一种高纯高致密碳化硅陶瓷吸盘的制造方法，方法的步骤为：

a、配料混料：将质量份分别为85份的碳化硅、15份的炭黑加入到高能球磨机中，搅拌混合均匀，得到混合粉体；

b、制浆：将混合粉体加入到砂磨机中，添加混合粉体总质量50％的去离子水、10份的粘结剂和0.5份的分散剂，搅拌混合均匀，得到混合浆料；

c、喷雾干燥：将混合浆料在喷雾造粒机中干燥，过筛得到复合粉体；

d、干压成型：将复合粉体放入不锈钢模具中，在液压机中成型得到圆盘素胚；

e、干燥固化：将陶瓷素胚烘箱中进行固化。

f、素胚加工：将陶瓷素胚按照不同的要求，加工出满足要求的陶瓷吸盘素胚。

g、高温纯化处理：将加工后的陶瓷素坯在高温石墨电阻炉中进行纯化热处理处理。

h、高温反应烧结：将纯化处理后的陶瓷毛坯在高温石墨电阻炉中进行高温烧结。

i、喷砂处理：将烧结后的碳化硅陶瓷毛坯管材进行表面喷砂处理。

j、精加工：将喷砂处理后的碳化硅陶瓷按照要求进行精加工。

k、清洗：将精加工的碳化硅陶瓷氢氧化钠碱洗和去离子水酸洗。

l、包装：清洗后的碳化硅陶瓷在氮气排空后真空包装。

用该实例一制造的碳化硅陶瓷的致密度为99.2％，密度为3.05/cm3，碳化硅陶瓷的室温和高温强度(1200℃)均高于300mpa。

实施例二、

通过该发明工艺制造一种高纯度高致密碳化硅陶瓷吸盘，尺寸为外径290mm，厚度为18mm，带有复杂的流道结构，应用于高温、高纯工况。

碳化硅陶瓷由以下质量份的成分组成：

碳化硅92份；硅8份；

一种高纯高致密碳化硅陶瓷吸盘的制造方法，方法的步骤为：

a、配料混料：将质量份分别为85份的碳化硅、15份的炭黑加入到高能球磨机中，搅拌混合均匀，得到混合粉体；

b、制浆：将混合粉体加入到砂磨机中，添加混合粉体总质量50％的去离子水、10份的粘结剂和0.5份的分散剂，搅拌混合均匀，得到混合浆料；

c、喷雾干燥：将混合浆料在喷雾造粒机中干燥，过筛得到复合粉体；

d、等静压压成型：将复合粉体放入橡胶模具中，在等静压机中成型得到圆盘素胚；

e、干燥固化：将陶瓷素胚烘箱中进行固化。

f、素胚加工：将陶瓷素胚按照不同的要求，加工出满足要求的陶瓷吸盘素胚。

g、高温纯化处理：将加工后的陶瓷素坯在高温石墨电阻炉中进行纯化热处理处理。

h、高温反应烧结：将纯化处理后的陶瓷毛坯在高温石墨电阻炉中进行高温烧结。

i、喷砂处理：将烧结后的碳化硅陶瓷毛坯管材进行表面喷砂处理。

j、精加工：将喷砂处理后的碳化硅陶瓷按照要求进行精加工。

k、清洗：将精加工的碳化硅陶瓷氢氧化钠碱洗和去离子水酸洗。

l、包装：清洗后的碳化硅陶瓷在氮气排空后真空包装。

用该实例二制造的碳化硅陶瓷的致密度为99.4％，密度为3.06/cm3，碳化硅陶瓷的室温和高温强度(1200℃)均高于300mpa。

实施例三、

通过该发明工艺制造一种高纯度高致密碳化硅陶瓷筒体，尺寸为外径800mm，内径760mm，高度为650mm，边缘带有密封槽，应用于高温、高纯工况。

一种高纯高致密碳化硅陶瓷吸盘的制造方法，方法的步骤为：

a、配料混料：将质量份分别为85份的碳化硅、15份的炭黑加入到高能球磨机中，搅拌混合均匀，得到混合粉体；

b、制浆：将混合粉体加入到砂磨机中，添加混合粉体总质量50％的去离子水、10份的粘结剂和0.5份的分散剂，搅拌混合均匀，得到混合浆料；

c、喷雾干燥：将混合浆料在喷雾造粒机中干燥，过筛得到复合粉体；

d1、等静压成型：将复合粉体放入橡胶模具中，在等静压机中成型得到陶瓷筒体素胚；

d2、注浆成型：将复合粉体加入一定浓度的去离子水，加入分散剂，催化剂和引发剂，浇注到石膏模具中，固化后得到陶瓷筒体素胚；

e、干燥固化：将陶瓷素胚烘箱中进行固化。

f、素胚加工：将陶瓷素胚按照不同的要求，加工出满足要求的陶瓷吸盘素胚。

g、高温纯化处理：将加工后的陶瓷素坯在高温石墨电阻炉中进行纯化热处理处理。

h、高温反应烧结：将纯化处理后的陶瓷毛坯在高温石墨电阻炉中进行高温烧结。

i、喷砂处理：将烧结后的碳化硅陶瓷毛坯管材进行表面喷砂处理。

j、精加工：将喷砂处理后的碳化硅陶瓷按照要求进行精加工。

k、清洗：将精加工的碳化硅陶瓷氢氧化钠碱洗和去离子水酸洗。

l、包装：清洗后的碳化硅陶瓷在氮气排空后真空包装。

在本实施例中，可以选用d1等静压成型的方法制造陶瓷筒体素胚，也可以选用d2注浆成型的方法制造陶瓷筒体素胚，经过注浆成型的方法制得的碳化硅陶瓷的密度要略低于干压和等静压产品。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

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