一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管、制备方法及其应用与流程

本发明属于新材料领域，具体涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管、制备方法及其应用。

背景技术：

随着高性能碳纤维技术取得突破，生产成本不断降低，碳纤维在工业领域应用比例持续增长。大力发展碳纤维及复合材料等新材料产业，对于提高我国原材料工业的市场竞争力、保障国防安全、促进我国工业由大变强都具有重要意义。

经过近20年的发展，我国碳化硅陶瓷已经达到国际先进水平，碳化硅陶瓷已在越来越多的领域发挥着重要作用，但是许多产品合格率低下，浪费巨大，导致产品价格居高不下，严重制约了反应碳化硅陶瓷的发展。1)产品素坯尺寸控制较差；2)烧结成本高，合格率低；3)产品烧结完后，表面存在大量的残余硅，需机械打磨处理，机械打磨对产品、环境都有极大的损害，且生产效率很难提高。目前采用反应烧结生产的碳化硅陶瓷薄壁管也存在上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管、制备方法及其应用，解决现有制备碳化硅陶瓷薄壁管时存在的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管，包括以下质量百分比的原料：炭黑5～20％，碳化硅粉末75～94％和分散剂1～5％；

所述的碳化硅粉末由粒径为0.4～0.6μm、纯度为99.4～99.6％的α型碳化硅粉末一和粒径为170～190μm、纯度为99.75～99.85％的α型碳化硅粉末二混合组成。

进一步的，所述的分散剂包括聚乙烯醇、己烯基双硬脂酰胺、硫酸酯盐、硬脂酸单甘油酯、聚丙烯酸和羧酸盐中的一种或多种。

进一步的，所述的α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：(1.8～2.4)。

进一步的，所述的碳化硅陶瓷薄壁管的密度为2.9～3.08g/cm³，三点抗弯强度为150～360mpa。

进一步的，所述的反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管的制备方法包括：将原料注入贴有网状聚合物的石膏模具中，依次进行放浆、脱模和压制得到素坯，然后进行烘干和真空烧结即得，所述的网状聚合物的厚度为0.4～2mm；

所述的网状聚合物为聚氨酯过滤海绵、加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布中的一种或多种。

一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管的制备方法，包括以下步骤：

1)原料的混合：

按质量百分比称取炭黑5～10％，碳化硅粉末70～85％和分散剂1～5％，首先将分散剂和炭黑混合加水搅拌，然后加入碳化硅粉末，搅拌，得到备用浆料；

2)将聚氨酯过滤海绵、加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布中的一种或多种作为过滤材料贴在石膏模具的内壁上得到贴有网状聚合物的石膏模具，所述的过滤材料的贴覆厚度为0.4～2mm；

3)注浆：将备用浆料注入贴有网状聚合物的石膏模具中，依次进行放浆、脱模和压制得到素坯；

4)烘干：将素坯依次进行低温烘干和高温烘干，所述的低温烘干的温度为35～45℃，所述的高温烘干的温度为60～70℃；

5)真空烧结：将经步骤4烘干的素坯放入真空烧结炉中，进行抽真空烧结，之后冷却至室温出炉即得。

具体的，所述的碳化硅粉末由粒径为0.4～0.6μm、纯度为99.4～99.6％的α型碳化硅粉末一和粒径为170～190μm、纯度为99.75～99.85％的α型碳化硅粉末二以质量比为1：(1.8～2.4)混合而成。

具体的，所述的分散剂包括聚乙烯醇、己烯基双硬脂酰胺、硫酸酯盐、硬脂酸单甘油酯、聚丙烯酸和羧酸盐中的一种或多种。

具体的，所述的低温烘干时间为24～36h，所述的高温烘干时间为18～24h；

所述的5)真空烧结具体包括：将经步骤4烘干的素坯放入真空烧结炉中，进行抽真空烧结，向烧结炉内通氮气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：从室温加热至800～900℃，加热3～6h，保温0.4～0.6h，从800～900℃加热至1600～1900℃，加热8～10h，保温1～3h，之后冷却至室温出炉，即得。

本发明所述的反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管的制备方法用于制备反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明通过研究成型工艺，在注浆过程中引入一定密度的网状聚合物，利用其强度，使放浆过程中保证其形变量较小，最终达到产品的外形尺寸要求。

2、利用空气能烘干设备，调节温度，最终确定合理的烘干曲线，使胚体烘干收缩到可控的密度、尺寸三点和抗弯强度要求。

以下结合说明书和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本发明的“碳化硅陶瓷薄壁管”包括以下质量百分比的原料：炭黑5～20％，碳化硅粉末75～94％和分散剂1～5％；

碳化硅粉末由粒径为0.4～0.6μm、纯度为99.4～99.6％的α型碳化硅粉末一和粒径为170～190μm、纯度为99.75～99.85％的α型碳化硅粉末二混合组成。α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：(1.8～2.4)。

分散剂包括聚乙烯醇、己烯基双硬脂酰胺、硫酸酯盐、硬脂酸单甘油酯、聚丙烯酸和羧酸盐中的一种或多种。

本发明的反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管将原料注入贴有厚度为0.4～2mm网状聚合物的石膏模具中，依次进行放浆、脱模和压制得到素坯，然后进行烘干和真空烧结即得。在本发明中，网状聚合物的厚度即为过滤材料的贴覆厚度，为0.4～2mm；

本发明通过研究成型工艺，在注浆过程中引入一定密度的网状聚合物，利用其强度，使放浆过程中保证其形变量较小，最终达到产品的外形尺寸要求。

本发明所用的网状聚合物包括聚氨酯过滤海绵、加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布，选择用体积分数为10～40％的盐酸进行酸解后使用。

聚氨酯过滤海绵有各种孔隙密度(10-60ppi)和颜色，它是由普通开孔软泡经爆破处理加工而成。爆破处理除掉了泡沫网绵之间原有的壁膜，后软泡仅剩下网状的主体骨架。此种泡沫过滤海绵的空隙高达97％，具有优异的透气性、良好柔软性和较高的机械强度。用泡沫网绵作过滤材料，具有流动阻力小和过滤率高的优点，能有效滤除粒径在15um的微粒。以网泡为骨架可制造出许多新型的功能材料。

加密pp纳米材质涂层：pp+pe+纳米涂层，特点：抗腐蚀、牢固性高、可选择不同密度。1cm/7目复合纳米网由pp(聚丙烯)和pe(聚乙烯)环保材质构成。pp具有良好的抗腐蚀能力，在表面活性剂浸泡时的耐应力开裂性能和在空气中一样，且化学稳定性优异，对大多数酸、碱、盐、氧化剂都显惰性；同时，pp制品耐热性高，可以长时间处于100℃下不变性、不变形。pe为蜡状材质，对甲苯、醋酸等化学溶剂具有抗腐作用，且其吸水性小，不易潮湿，有绝缘性能。产品具有金属光泽，色泽悦目；骨架韧挺，抗强扯拉；耐应力强，不易断裂；抗腐蚀性高，光滑度适中，网格规整(20目)，丝径加粗(20mm)。

加固碳纤维布，产品特性：强度高(3450.5mpa)、柔软服帖不易空鼓、平整度高受力均匀、渗透力强、厚度0.167nm/300g。

上述试剂若未作特殊说明，均市售可得。

实施例1

本实施例给出一种反应烧结碳化硅陶瓷薄壁管、制备方法及其应用，包括以下步骤：

1)原料的混合：

按质量百分比称取炭黑5～20％，碳化硅粉末75～94％和分散剂1～5％；首先将分散剂和炭黑混合加水搅拌，然后加入碳化硅粉末，搅拌，得到备用浆料；碳化硅粉末由粒径为0.4～0.6μm、纯度为99.4～99.6％的α型碳化硅粉末一和粒径为170～190μm、纯度为99.75～99.85％的α型碳化硅粉末二以质量比为1：(1.8～2.4)混合而成。实施例中α型碳化硅粉末一选用粒径为0.5μm、纯度为99.5％，α型碳化硅粉末二选用粒径为180μm、纯度为99.8％。

2)将聚氨酯过滤海绵、加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布中的一种或多种作为过滤材料贴在石膏模具的内壁上得到贴有网状聚合物的石膏模具，所述的过滤材料的贴覆厚度为0.4～2mm；过滤材料的贴覆厚度即为网状聚合物的厚度；

3)注浆：将备用浆料在0.1-0.3gpa的压力下注入贴有网状聚合物的石膏模具中，依次进行放浆、脱模和压制得到素坯；

4)烘干：将素坯依次进行低温烘干和高温烘干，低温烘干的温度为35～45℃，低温时进行鼓风，高温烘干的温度为60～70℃；

5)真空烧结：将经步骤4烘干的素坯放入真空烧结炉中，进行抽真空烧结，向烧结炉内通氮气至常压后进行加热，加热温度与时间的关系为：从室温加热至800～900℃，加热3～6h，保温0.4～0.6h，从800～900℃加热至1600～1900℃，加热8～10h，保温1～3h，之后冷却至室温出炉，打磨喷砂检验合格即得。

在本实施例中，按质量百分比计，炭黑5.6％，碳化硅粉末93.4％，分散剂1％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：1.8。分散剂选用聚乙烯醇。

网状聚合物选用聚氨酯过滤海绵，将聚氨酯过滤海绵用体积分数为10％的盐酸酸解2h后使用。聚氨酯过滤海绵贴在石膏模具中的厚度为0.47mm。

步骤3中，注浆时间为90min，放浆静止2h后脱模。

步骤4中，低温为35℃，烘干24h；高温为60℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至800℃、加热4h，保温0.4h，从800℃至1600℃、加热8h，保温1h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.04g/cm³，三点抗弯强度为350mpa，碳化硅杂质2％。

实施例2

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑6.8％，碳化硅粉末91.2％，分散剂2％、α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：1.9。分散剂选用己烯基双硬脂酰胺和硫酸酯盐，己烯基双硬脂酰胺和硫酸酯盐按质量比1：1分散均匀备用。

网状聚合物选用聚氨酯过滤海绵，将聚氨酯过滤海绵用体积分数为15％的盐酸酸解2h后使用。聚氨酯过滤海绵贴在石膏模具中的厚度为0.52mm。

步骤3中，注浆时间为100min，放浆静止2h后脱模。

步骤4中，低温为40℃，烘干24h；高温为68℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至850℃、加热3h，保温0.45h，从850℃至1700℃、加热8.5h，保温1.5h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.06g/cm³，三点抗弯强度为300mpa，碳化硅杂质2.2％。

实施例3

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑8.2％，碳化硅粉末89.3％，分散剂2.5％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：2.2。分散剂选用硫酸酯盐、硬脂酸单甘油酯和聚丙烯酸，硫酸酯盐、硬脂酸单甘油酯和聚丙烯酸的质量比为1:1.5:1.8混合备用。

网状聚合物选用加密pp纳米材质涂层，将加密pp纳米材质涂层用体积分数为12％的盐酸酸解1h后使用。加固碳纤维布贴在石膏模具中的厚度为1.5mm。

步骤3中，注浆时间为90min，放浆静止3h后脱模。

步骤4中，低温为38℃，烘干24h；高温为65℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至880℃、加热4h，保温0.5h，从880℃至1650℃、加热8h，保温1.5h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为2.95g/cm³，三点抗弯强度为360mpa，碳化硅杂质2.3％。

实施例4

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑10.5％，碳化硅粉末87.3％，分散剂2.2％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：2.5。分散剂选用聚丙烯酸。

网状聚合物选用加密pp纳米材质涂层，将加密pp纳米材质涂层用体积分数为20％的盐酸酸解1h后使用。加固碳纤维布贴在石膏模具中的厚度为1.3mm。

步骤3中，注浆时间为95min，放浆静止2h后脱模。

步骤4中，低温为37℃，烘干18h；高温为67℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至900℃、加热4h，保温0.5h，从900℃至1700℃、加热8h，保温2h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为2.95g/cm³，三点抗弯强度为200mpa，碳化硅杂质2.5％。

实施例5

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑15.7％，碳化硅粉末80.1％，分散剂4.2％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：2.4。分散剂选用己烯基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯和羧酸盐，己烯基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯和羧酸盐的质量比为1:2:1混合备用。

网状聚合物选用加固碳纤维布，将加固碳纤维布用体积分数为35％的盐酸酸解1h后使用。加固碳纤维布贴在石膏模具中的厚度为0.55mm。

步骤3中，注浆时间为98min，放浆静止2h后脱模。

步骤4中，低温为39℃，烘干20h；高温为70℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至860℃、加热4h，保温0.5h，从860℃至1700℃、加热10h，保温2h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为2.99g/cm³，三点抗弯强度为210mpa，碳化硅杂质2.7％。

实施例6

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑14.2％，碳化硅粉末82.8％，分散剂3％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：2.1。分散剂选用聚丙烯酸和羧酸盐，聚丙烯酸和羧酸盐的质量比为1:1混合备用。

网状聚合物选用加固碳纤维布，将加固碳纤维布用体积分数为40％的盐酸酸解1h后使用。加固碳纤维布贴在石膏模具中的厚度为1.6mm。

步骤3中，注浆时间为98min，放浆静止2.5h后脱模。

步骤4中，低温为40℃，烘干22h；高温为66.5℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至890℃、加热3h，保温0.6h，从890℃至1900℃、加热9h，保温2h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.00g/cm³，三点抗弯强度为250mpa，碳化硅杂质2.7％。

实施例7

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑18.6％，碳化硅粉末76.6％，分散剂4.8％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：1.95。分散剂选用硬脂酸单甘油酯

网状聚合物选用聚氨酯过滤海绵和加固碳纤维布，将聚氨酯过滤海绵和加固碳纤维布用体积分数为35％的盐酸酸解1h后使用。聚氨酯过滤海绵和加固碳纤维布各加一层，总体厚度为0.48mm。

步骤3中，注浆时间为100min，放浆静止1h后脱模。

步骤4中，低温为42℃，烘干24h；高温为68.5℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至960℃、加热6h，保温0.6h，从960℃至1850℃、加热9h，保温3h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.07g/cm³，三点抗弯强度为290mpa，碳化硅杂质2.2％。

实施例8

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑19.5％，碳化硅粉末77％，分散剂3.5％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：2.2。分散剂选用硫酸酯盐。

网状聚合物选用聚氨酯过滤海绵和加密pp纳米材质涂层，将聚氨酯过滤海绵和加密pp纳米材质涂层用体积分数为30％的盐酸酸解1h后使用。聚氨酯过滤海绵和加密pp纳米材质涂层各加一层，总体厚度为0.58mm。

步骤3中，注浆时间为95min，放浆静止1h后脱模。

步骤4中，低温为43℃，烘干22h；高温为69℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至900℃、加热6h，保温0.6h，从900℃至1850℃、加热9h，保温3h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.06g/cm³，三点抗弯强度为280mpa，碳化硅杂质2.3％。

实施例9

同实施例1，不同的是，在本实施例中，原料按质量百分比计，炭黑20％，碳化硅粉末76.2％，分散剂3.8％，α型碳化硅粉末一与α型碳化硅粉末二的质量比为1：1.85。分散剂选用己烯基双硬脂酰胺、硫酸酯盐、硬聚丙烯酸和羧酸盐，己烯基双硬脂酰胺、硫酸酯盐、硬聚丙烯酸和羧酸盐的质量比为1:1.2:1.5:1:3。

网状聚合物选用加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布，将加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布用体积分数为30％的盐酸酸解1h后使用。加密pp纳米材质涂层和加固碳纤维布各加一层，总体厚度为1.5mm。

步骤3中，注浆时间为98min，放浆静止2h后脱模。

步骤4中，低温为45℃，烘干24h；高温为70℃，烘干24h。

步骤5中，加热温度与时间的关系为：从室温至900℃、加热6h，保温0.6h，从900℃至1900℃、加热8h，保温2h。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管的外形尺寸为：φ500外径*490内径*5mm*2000mm，圆度范围在±2mm，密度为3.02g/cm³，三点抗弯强度为190mpa，碳化硅杂质2.6％。

对比例1

同实施例1，不同的是，不选用网状聚合物贴在石膏模具中，制得的碳化硅陶瓷薄壁管圆度范围在±3mm，密度为2.5g/cm³，三点抗弯强度为145mpa，碳化硅杂质3.5％。

对比例2

同实施例3不同的是，同实施例1，不同的是，加密pp纳米材质涂层，贴在石膏模具中的厚度为0.3mm。

制得的碳化硅陶瓷薄壁管圆度范围在±2.5mm，密度为3.2g/cm³，三点抗弯强度为120mpa，碳化硅杂质4％。

对比例3

同实施例6不同的是，加固碳纤维布在石膏模具中的厚度为2.5mm。制得的碳化硅陶瓷薄壁管圆度范围在±2.5mm，密度为2.2g/cm³，三点抗弯强度为130mpa，碳化硅杂质2.9％。

对比例4

同实施例1不同的是，分散剂的添加量为5.5％。制得的碳化硅陶瓷薄壁管圆度范围在±2.5mm，密度为2.2g/cm³，三点抗弯强度为140mpa，碳化硅杂质4.2％。

以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

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