一种高温陶瓷及其批量热压制备方法

本发明涉及陶瓷材料，具体涉及一种高温陶瓷及其批量热压制备方法。

背景技术：

1、由于具有强的共价键结合，因此高温陶瓷材料(如碳化硼、碳化硅、硼化钛、氧化铝等)一般具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、密度低等优良性能，在石油化工、微电子、航空航天、汽车、精密仪器设备和安全防护等领域均有广泛的应用前景。然而这种强的共价键结合往往会导致陶瓷材料烧结困难，为了获得高性能的陶瓷材料制品，需要采用高温、高压的烧结工艺，如热压或热等静压等。这种高温、高压的烧结工艺通常意味着昂贵的设备、有限的烧结区间及由此导致的低产率、长时间的高温烧结周期，最终极大的推高了陶瓷产品的制备成本。在热压烧结的高温陶瓷各项成本中，烧结成本通常可以占到制成品成本的近2/3，甚至更高，这极大的限制了高性能陶瓷在实际工程中的应用。

2、为了降低这类高温高性能陶瓷的生产成本，现代工业中常常采用无压烧结工艺摆脱热压烧结设备产率受限的影响，以提高单炉产率来降低产品的平均制造成本。然而无压烧结往往会因为烧结动力不足，不得不采用更长时间的高温烧结周期，导致相对较低的致密度或粗大的晶粒，产品的性能较热压烧结陶瓷存在明显的差距。特别是在大批量烧结时，为了保障大体积烧结样品内和众多烧结样品间的温度均匀性，往往采用多步保温这种复杂而长时间的升温制度，由此对陶瓷材料性能的影响更加明显。如何在保持烧结体材料性能的同时批量降低高温陶瓷的烧结成本是近几十年陶瓷材料领域研究的一个重要问题，也是本发明重点关注并致力于解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于解决现有高温陶瓷制造成本高、生产效率低等问题，提供一种高温陶瓷的批量热压制备方法，该方法包括以下步骤：(a)快速预烧结：将陶瓷原料粉末混合均匀后加入到模具中，加压并快速加热升温到设定烧结温度后停止加热、加压，得到一定致密度的陶瓷坯体；(b)批量终烧结：将步骤(a)预烧结的陶瓷坯体批量码放好，接着进行缩短周期的快速终烧结，由此得到致密且低成本的高温高性能陶瓷。

2、进一步的，步骤(a)中所述模具具体为石墨模具，预烧结所使用的设备为热压炉，步骤(b)中终烧结所使用的设备为大体积无压烧结炉。

3、进一步的，步骤(a)中陶瓷粉料加入到模具后先施加不小于5mpa的压力预压实，接着将模具转移至热压炉中并施加5mpa的预加压力，然后加热、加压进行预烧结。

4、进一步的，步骤(a)中预烧结的具体过程为：将热压炉抽真空，接着采用电阻加热、电流加热等直接快速升温方式，以20-110℃/min的升温速率从室温加热到1000-1700℃，然后开始升压并以20-110℃/min的升温速率继续加热升温，确保加压速度与升温成线性比例，待压力和温度均达到预设值后停止加热、停止加压，结束预烧结；预烧结完成后进行无保温的空冷、强制气冷等快速冷却，从烧结温度到300℃的平均冷却速度为100-200℃/min，最高冷却速度可达200-500℃/min。

5、更进一步的，步骤(a)预烧结结束时的压力预设值为20-50mpa，温度预设值为1750-1900℃。预烧结温度由烧结体系而定，通常为传统热压烧结温度的0.9-1.2倍(优选为1.0-1.2倍)，需视烧结材料的本征特性确定。

6、进一步的，步骤(a)得到的陶瓷坯体的致密度不低于85％。

7、进一步的，步骤(b)具体过程如下：将检验合格的陶瓷坯体批量码放至无压烧结炉中并抽真空，接着以5-20℃/min的升温速率加热至1800℃，然后以1-10℃/min的升温速率加热至2100-2200℃并保温1-3h，最后随炉冷却至200℃并开炉取出样品。本发明烧结时的升温速率相当于传统大体积、大批量烧结升温速率的1-5倍，以此快速升温到设定的烧结温度。本发明的烧结温度为传统无压烧结温度的0.9-1.2倍(视烧结材料的本征特性定)，中间无需分阶段保温，终烧结的保温时间为传统无压烧结保温时间的0.8-1倍，之后自然降温结束烧结。

8、进一步的，所述高温陶瓷选自非氧化物陶瓷、氧化物陶瓷中的至少一种，其中非氧化物陶瓷包括碳化硼、碳化硅、硼化钛、氮化硅等，氧化物陶瓷包括氧化铝、氧化锆等。实际上本发明方法可以适用于所有种类的热压烧结陶瓷，不分组分。

9、本发明的目的之二在于提供一种按照上述方法制得的高温高性能、低成本陶瓷。

10、目前热压烧结高温陶瓷的成本居高不下，而无压烧结高温陶瓷的性能较热压烧结陶瓷存在较大的差距。在分析明确了导致热压烧结成本高的主要原因(包括烧结周期内由于设备可有效利用的烧结区限制导致的产品产率低)和无压烧结材料性能劣化的主要原因(包括烧结时间长、晶粒生长明显、粉体传热性能不佳、烧结体内温度难以均匀等)后，发明人团队在研究了大量不同烧结工艺烧结过程动力学、提炼不同工艺效率和成本效率的基础上，创造性的提出了快速升温热压技术(如sps、fast等)，先制备出密实度不低于85％的高温陶瓷坯体，然后将多个快速热压烧结的预烧结坯体组成一个批次置入无压烧结炉中将其烧到完全致密化。该方法有效的避开了传统热压烧结从粉末堆积孔封闭后压力驱动致密化效率下降导致的低效扩散过程的高成本，缩短了烧结过程中的升降温周期，从而有效缩短了高性能陶瓷的烧结周期，实现了结构性能调控。本发明能够将传统热压烧结6-8hr的周期缩短到10-30min，最大提升近50倍，也就是说提升了热压设备的生产产率近50倍。

11、与现有技术相比，本发明方法充分利用了无压烧结的有效烧结区大、单次产能大、平均成本低等特性，最终实现了低成本、高效率、大批量的高温陶瓷致密化烧结。在这个过程中由于坯体具有较高的致密度，无压烧结过程中需要的物质迁移扩散量相应减小，对应的晶粒生长也会受到有效抑制；同时坯体传热能力改善，烧结体中更容易实现温度均匀，可明显减小升温时间，进一步缩短烧结周期。经过测算，本发明最终样品的成本包括一个80％左右的无压成本和一个近10％的热压成本，总成本远小于传统的热压成本，并且实验测试结果也证明了本发明制得的陶瓷样品的性能与传统热压陶瓷产品相当。

技术特征：

1.一种高温陶瓷的批量热压制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)将陶瓷原料粉末混合均匀后加入到模具中，对模具加压并快速加热升温，达到预烧结温度后停止加热、停止加压，得到一定致密度的陶瓷坯体；(b)将步骤(a)预烧结的陶瓷坯体批量码放好，接着进行一次保温烧结，最终得到一系列致密的高温高性能陶瓷。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)所述模具具体为石墨模具，预烧结所使用的设备为热压炉，步骤(b)中烧结所使用的设备为无压烧结炉。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)中陶瓷粉料加入到模具后先采用不小于5mpa的压力预压实，接着将配合好的模具转移至热压炉中并施加5mpa的预加压力，最后加热、加压进行预烧结。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)中预烧结的具体过程为：将热压炉抽真空，接着以20-110℃/min的升温速率从室温加热到1000-1700℃，然后开始升压并继续加热升温，待压力和温度均线性上升到预设值后停止加热、停止加压，结束预烧结。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(a)预烧结结束时的压力预设值为20-50mpa，温度预设值为1750-1900℃。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)得到的陶瓷坯体的致密度不低于85％。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(b)具体过程如下：将检验合格的陶瓷坯体批量码放至无压烧结炉中并抽真空，接着先快速加热至1800℃，再缓慢加热至2100-2200℃并保温1-3h，最后随炉冷却至200℃并开炉取出样品。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(b)中以5-20℃/min的升温速率加热至1800℃，然后以1-10℃/min的升温速率加热至2100-2200℃。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高温陶瓷选自非氧化物陶瓷、氧化物陶瓷中的至少一种，其中非氧化物陶瓷包括碳化硼、碳化硅、硼化钛、氮化硅，氧化物陶瓷包括氧化铝、氧化锆。

10.一种高温陶瓷，其特征在于：该高温陶瓷按照权利要求1-9中的任意一种方法制备得到。

技术总结本发明涉及一种高温陶瓷及其批量热压制备方法。首先将陶瓷原料粉末混合均匀，然后将其加入到模具中快速加热、加压，待达到预烧结温度后停止加热、加压完成预烧结，得到一定致密度的陶瓷坯体，接着将预烧结的陶瓷坯体批量码放在无压烧结炉中，再进行一次保温无压的终烧结，由此得到一系列致密且性能优异的高温陶瓷。本发明利用不同烧结工艺在不同烧结过程中的效率特性，通过工艺过程的分步集成极大的降低了陶瓷的烧结成本、提高了生产效率，更重要的是制得的高温陶瓷样品各项性能与传统热压陶瓷产品相当。技术研发人员：张金咏,杨佳文,王当强,雷丽文,傅正义受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1