一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法

本发明涉及一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，属于碳化硅陶瓷材料制备。

背景技术：

1、碳化硅(sic)陶瓷因具有低密度、高硬度、高导热性、高抗氧化性及高化学惰性，在防弹装甲、半导体、极端环境结构件等领域应用前景广泛。碳化硅主要为α晶型和β晶型，β晶型在温度高于1800℃时会转变为α晶型。目前，获得碳化硅致密陶瓷体的方法主要为添加烧结助剂和高温烧结。例如，cn104926309将质量比占sic的0.6-10％的氧化铝、质量比占sic的2.4-31.7％的酚醛树脂或者质量比占sic的0.7-9.6％的碳黑与亚微米级碳化硅粉体混合，在2050-2300℃下热压烧结得到了致密碳化硅陶瓷。但是，添加烧结助剂会引入杂质相，影响碳化硅陶瓷的高温性能，而无压烧结、热压烧结等高温烧结方法，所需烧结温度高，流程时间长，也会造成晶粒的异常长大。放电等离子烧结(sps)作为一种低温快速烧结方法，同等条件下烧结温度比无压烧结低100-150℃，可以实现致密块体陶瓷烧结且样品力学性能较好。

2、组织观察是技术人员根据相关标准和规定来表征陶瓷的一种常规测试方法。通过微观组织可以获得碳化硅陶瓷内部晶粒形貌、大小、分布以及内部组织缺陷等数据，便于进一步进行烧结试样的组织分析和力学性能测试。

3、为了量化碳化硅陶瓷的组织与性能之间的关系，需要对试样表面进行腐蚀才能观察到微观组织。目前的表面腐蚀处理方法主要有离子体刻蚀法和化学腐蚀法。离子体刻蚀法是指将cf4和o2的混合气体激发出高化学活性的等离子体，在电场作用下，离子高速轰击样品表面，从而实现对样品的刻蚀，但是这种刻蚀方法所需设备复杂，且这种高能量冲击易引入高残余应力，会对样品本身造成不可逆的损坏。化学腐蚀法可以分为高温熔融态强碱腐蚀法和强酸腐蚀法。高温熔融态强碱腐蚀法是指将陶瓷样品置于熔融态的naoh或者koh中腐蚀1分钟，这种方法的加热温度较高，大于400℃，容易带来安全隐患且操作复杂；强酸腐蚀是指使用高浓度氢氟酸或氢氟酸与硝酸的混合试剂，在常温或者高温情况下腐蚀10分钟以上，这种方法安全隐患较高，对设备仪器要求也较高。上述腐蚀方法中使用的强碱强酸试剂为实验室危险化学样品且有剧毒，容易对实验人员的人身安全造成损害，且一般研究机构和单位无购买资质。所以为了实现快速表征样品表面组织，方便安全快速的表面腐蚀方法是必要的。

4、基于上述问题，本发明的目的在于提供一种更加安全方便的纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，该方法操作简单，危险系数低。该方法使用的药品试剂为murakami’s试剂，其成分为koh、k3[fe(cn)6](六氰合铁酸钾)和h2o，质量比1:1:10。murakami’s试剂为常用化学试剂，可以直接购买。该方法所需要的设备简单，为加热平台或者电炉。本发明的关键在腐蚀温度和腐蚀时间，腐蚀温度在200-250℃之间，温度低时，腐蚀效果不明显，无法呈现完整碳化硅晶界。腐蚀温度较高，试剂蒸发速度快，且六氰合铁酸钾在温度高于300℃时，成分会发生一定分解，腐蚀效果降低。腐蚀时间同样重要，时间短，晶界不清晰，腐蚀试验长，部分晶粒被严重腐蚀，使得表面形貌质量差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，在有效腐蚀碳化硅陶瓷的前提下，简化操作步骤，降低危险系数和腐蚀温度，缩短腐蚀时间。

2、本发明中一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，主要包括以下工艺步骤：

3、1)纯碳化硅陶瓷烧结：先将粉体粒径为1μm-40μm的α晶型sic球形粉直接装入石墨模具中，再将石墨模具置于放电等离子烧结设备中进行高温烧结，以100℃/min的加热速率升温至1700-1750℃，烧结压力为80-100mpa，保温保压时间为1-10min，烧结后自然随炉冷却，得到纯碳化硅陶瓷样品，使用金刚石线切割机将试样加工成尺寸为3mm×4mm×8mm的长条。

4、2)碳化硅陶瓷表面处理：用从粗至细的金刚石砂盘对制备的碳化硅陶瓷长条样品进行打磨，金刚石砂盘规格依次为1000目、2000目，打磨方式为手指按压样品均匀用力，直至打磨后样品磨痕走向一致，之后更换下一规格砂盘，样品旋转45°，继续磨抛，直至前一道次磨痕消失且形成新的走向一致的磨痕。

5、再使用涂覆金刚石研磨膏的抛光绒布进行抛光，研磨膏的规格依次为3.5μm、2.5μm、0.5μm。抛光方式为将样品置于放有抛光绒布的抛光机，先涂抹3.5μm规格的研磨膏，手指按压样品，旋转方向垂直于样品表面划痕，抛光1h，之后涂抹下一规格的研磨膏，样品旋转45°，重复上述操作，直至使用0.5μm的抛光膏抛光后，样品表面呈镜面光亮，无划痕。

6、3)碳化硅陶瓷表面腐蚀：在反应容器中加入murakami’s试剂，并将装有试剂的反应容器置于加热平台或者可控温设备中加热至200-250℃，保温；将抛光后的碳化硅样品放入反应容器中开始腐蚀；1-10min后腐蚀完毕，腐蚀后的碳化硅样品置于装有清水的烧杯中超声清洗0.1-5min，再放置于装有无水乙醇的烧杯中超声清洗0.1-5min，最后烘干。

7、也可以直接将murakami’s试剂和抛光后的碳化硅样品同时放入反应容器，并将反应容器置于加热平台或者可控温设备中加热至200-250℃，保温；1-10min后腐蚀完毕，腐蚀后的碳化硅样品置于装有清水的烧杯中超声清洗0.1-5min，再放置于装有无水乙醇的烧杯中超声清洗0.1-5min，最后烘干。

8、将腐蚀好的碳化硅陶瓷样品置于光学显微镜下观察相应微观组织结构，可以发现该方法腐蚀的碳化硅陶瓷晶粒形状完整，晶界清晰。

9、上述所有步骤都是在常压和空气气氛中进行。

10、本发明的有益效果包括：

11、本发明使用的试剂为常用化学试剂，可以直接购买，方便获得。

12、本发明降低了腐蚀温度至200-250℃，温度低，安全性高，操作简便。

13、本发明降低了腐蚀时间至1-10min，腐蚀速度快，显著降低了腐蚀试验的危险系数和操作难度。

技术特征：

1.一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，碳化硅粉体为粒径为1-40μm的α晶型sic球形粉；放电等离子烧结具体工艺为烧结温度1700-1750℃，烧结压力为80-100mpa，保温保压时间为1-10min。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，金刚石砂盘依次为1000目、2000目。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，金刚石研磨膏规格依次为3.5μm、2.5μm、0.5μm。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，腐蚀加热温度为200-250℃，腐蚀时间为1-10min，去离子水清洗时间0.1-5min，无水酒精清洗时间0.1-5min。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，其特征在于，用该方法腐蚀的纯碳化硅陶瓷晶粒形状明显，晶界清晰可见。

技术总结本发明提供一种纯碳化硅陶瓷的表面腐蚀方法，包括：1)纯碳化硅陶瓷烧结：将碳化硅粉装入石墨模具中，再进行放电等离子烧结，烧结后随炉冷却，得到样品；2)碳化硅陶瓷表面处理：用金刚石砂盘对碳化硅陶瓷样品进行磨抛，再使用涂覆金刚石研磨膏的抛光绒布抛光至样品表面呈镜面；3)碳化硅陶瓷表面腐蚀：将装有Murakami’s试剂的容器置于加热平台上加热至设定温度，保温；将碳化硅样品放入试剂中腐蚀；腐蚀后对样品先用去离子水清洗，再用无水酒精清洗后烘干；也可将样品与腐蚀剂直接放一起加热，保温腐蚀，腐蚀后对样品先用去离子水清洗，再用无水酒精清洗后烘干。本发明操作简单，安全，所需时间短，腐蚀出的碳化硅陶瓷晶粒明显，晶界清晰。技术研发人员：张朝晖,程兴旺,周金朝,贾晓彤,刘罗锦,王强受保护的技术使用者：北京理工大学唐山研究院技术研发日：技术公布日：2024/12/2