一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法与流程

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法。

背景技术：

碳化硅材料具有较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数和耐热冲击性，具有高的比刚度及高度的尺寸稳定性等优点，因此是空间光学遥感器反射镜体的理想选择材料，近些年来，被广泛应用于空间反射镜镜坯的制备。碳化硅材料的制备方式很多，其中反应烧结碳化硅由于工艺简单，烧结时间短，烧结温度和成本低，净尺寸烧结，易于制备大型复杂形状制品等优点，因此成为最早实现大规模工业应用的结构陶瓷，具有广阔的应用前景。但缺陷的产生在实际加工生产中是无法避免的，而陶瓷材料对于缺陷的敏感度要远大于金属等材料，即使微小缺陷的存在也很容易在缺陷处造成应力集中，迅速造成破坏，尤其是光学材料，对产品的质量要求更加严格。因此，对于产品质量的把控以及缺陷的检测显得尤为重要。

目前针对碳化硅材料而言，何种无损检测手段最为适合仍无定论。为了验证不同的检测手段对于碳化硅材料的检测效果，需要针对不同类型的缺陷进行试样的制备。但直接在实际生产过程中获取缺陷试样的方式并不可取，因为其无法在检测前对试样缺陷的尺寸、类型进行准确判断，同时复核检测的结果时也会相对困难。因此，合理地预制碳化硅缺陷试样则显得尤为重要。当下主要的缺陷预制方式是机械加工的方法，但是机械加工的方式并不适用于内部缺陷的制作。而且针对无损检测行业而言，表面缺陷的检测手段多样，比较容易实现，内部缺陷的检测才是无损检测行业关注的重点，能否高效准确地检测试样内部的缺陷才是评价无损检测方法优劣的重要指标，而成功制备材料内部缺陷，不仅仅会为材料工作者了解材料使用中的失效情况提供了研究依据，同时还会对于材料的检测行业有着重要的推进作用。

因此，急需研究一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，使其能准确制备出各种形状的设计缺陷，并且不引入其他杂质、不产生新的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，使其能准确制备出各种形状的设计缺陷，并且不引入其他杂质、不产生新的缺陷。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备两块形状大小相同、表面平整的碳化硅素坯，之后干燥、脱脂后得到多孔碳化硅素坯；

步骤2：在其中一块所述多孔碳化硅素坯表面按照设计缺陷的位置涂抹惰性无机物，使涂抹惰性无机物后的成形区域与所述设计缺陷的形状、大小保持一致，得到预制缺陷的多孔碳化硅素坯；所述惰性无机物不与硅、碳化硅反应，高温下不挥发、不分解，和液态硅不润湿；

步骤3：在所述预制缺陷的多孔碳化硅素坯的表面其余位置涂抹有机粘结剂，使其表面再次平整，之后与另一块所述多孔碳化硅素坯对接贴合，确保贴合时两者之间无空隙，再用重物压实一段时间；所述有机粘结剂在高温分解的产物除碳之外无其他固体，其余生成物均不与硅、碳化硅反应且以气体形式排出；

步骤4：对压实后的贴合素坯置于真空烧结炉中添加足量硅进行反应烧结，烧结完成后进行表面清理去除残硅，得到含有内部缺陷的碳化硅陶瓷。

进一步地，所述步骤1中的所述碳化硅素坯通过注浆成型或凝胶注模成型工艺制备，所述碳化硅素坯的弯曲强度高于5mpa，所述碳化硅素坯的对接贴合面的平面度小于0.1mm。

进一步地，所述步骤2中的所述惰性无机物为硼化锆、氧化锆、二氧化硅中的任意一种。

进一步地，所述步骤3中的所述有机粘结剂为环氧树脂胶、氰基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸酯中的任意一种。

进一步地，所述步骤3中对接贴合后的素坯的粘接处的弯曲强度大于5mpa。

进一步地，所述步骤3中的所述重物使承重的素坯表面所受压强在4×10^-3mpa～1mpa之间，时间在1h以上。

进一步地，所述步骤3中所述硅的添加量足够填满对接贴合后的素坯中的孔，也足够反应掉所述有机粘结剂高温分解的产生的碳。

进一步地，所述步骤3中所述硅的添加量不少于对接贴合后的素坯质量的一半。

进一步地，所述步骤4中的表面清理为非敲击方式。

进一步地，所述步骤4中的表面清理为研磨或喷砂处理。

本发明的反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，利用有机粘结剂将两块碳化硅素坯粘接到一起，并在其中添加惰性无机物，利用惰性无机物阻碍硅在素坯中的熔渗，导致硅的区域缺失，进而产生缺陷，同时，有机粘结剂在高温下分解所产生的碳会同加入的硅反应生成碳化硅，使粘接处接近母材材料，同时也避免了引入杂质。本发明反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法简单、可操作性强，可以制备各种形状的内部缺陷用于满足大部分无算检测技术对样品的需要，且制备过程不会产生预制缺陷位置偏移现象，制备出的内部缺陷准确性高且不会引入新的缺陷，为无损检测技术的开展以及升级提供基础支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明提供了一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：制备两块形状大小相同、表面平整的碳化硅素坯，之后干燥、脱脂后得到多孔碳化硅素坯；

步骤2：在其中一块所述多孔碳化硅素坯表面按照设计缺陷的位置涂抹惰性无机物，使涂抹惰性无机物后的成形区域与所述设计缺陷的形状、大小保持一致，得到预制缺陷的多孔碳化硅素坯；所述惰性无机物不与硅、碳化硅反应，高温下不挥发、不分解，和液态硅不润湿；

步骤3：在所述预制缺陷的多孔碳化硅素坯的表面其余位置涂抹有机粘结剂，使其表面再次平整，之后与另一块所述多孔碳化硅素坯对接贴合，确保贴合时两者之间无空隙，再用重物压实一段时间；所述有机粘结剂在高温分解的产物除碳之外无其他固体，其余生成物均不与硅、碳化硅反应且以气体形式排出；

步骤4：对压实后的贴合素坯置于真空烧结炉中添加足量硅进行反应烧结，烧结完成后进行表面清理去除残硅，得到含有内部缺陷的碳化硅陶瓷。

其中，所述步骤1中的所述碳化硅素坯通过注浆成型或凝胶注模成型工艺制备，要求其具有一定强度，不会因为轻微的摩擦导致素坯粉体脱落，要求所述碳化硅素坯的弯曲强度高于5mpa。并且，所述碳化硅的表面要平整，要求所述碳化硅素坯的对接贴合面表面不存在过大的凹凸起伏，不会导致部分粘接区域的胶厚度过大，所述碳化硅素坯的对接贴合面的平面度最好小于0.1mm。

其中，所述步骤2中的所述惰性无机物可以选择硼化锆、氧化锆、二氧化硅中等物质。对于缺陷尺寸的设计也要合理，既不会于惰性无机物可达到的最小尺寸，也不要超过所述碳化硅素坯的最大尺寸。

其中，所述步骤3中的所述有机粘结剂可以选择环氧树脂胶、氰基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸酯等粘结剂，且所述步骤3中对接贴合后的素坯的粘接处要求有一定的强度，例如弯曲强度最好大于5mpa，不会因轻微的外力导致粘接层分离。所述步骤3中的重物压实的时间要根据所述有机粘结剂的使用情况而定，要确保在压实的这段时间内有机粘结剂能够充分起到作用，同时不影响后续操作，设计承重的素坯表面所受压强最好在4×10^-3mpa～1mpa之间，压实时间在1h以上。并且，所述步骤3中所述硅的添加量足够填满对接贴合后的素坯中的孔，也足够反应掉所述有机粘结剂高温分解的产生的碳，可以选择所述硅的添加量不少于对接贴合后的素坯质量的一半。

其中，所述步骤4中的表面清理要求为非敲击方式，例如采用研磨或喷砂等方式处理。

实施例1

一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用注浆成型工艺制备碳化硅素坯，之后干燥、脱脂后得到多孔碳化硅素坯；利用铣床对所述多孔碳化硅素坯进行机械加工，加工出两块长度为80mm，宽度为40mm，高度为3.5mm的表面平整的试样。

步骤2：在其中一块试样的中央10mm×10mm区域处均匀涂抹一层二氧化硅粉，厚度约为0.05mm，为了涂抹均匀，事先将二氧化硅粉末同酒精、少量炭黑混匀后再进行涂抹。

步骤3：在试样的其余位置涂抹环氧树脂胶，厚度应接近0.05mm，也可以略高，保证除了中心区域为二氧化硅外其余位置均由环氧树脂胶填满，之后与另一块试样对接贴合，确保贴合时两者之间无空隙，再用一块5kg的实心铁块压紧，实心铁块事先用纱布包裹住以防对试样造成损伤，将整体放置在在背光处24h，待环氧树脂完全干燥。

步骤4：对压实后的贴合试样置于真空烧结炉中按照粘接完成后试样质量的50％的量添加硅进行反应烧结，烧结控制参数为：以6℃/h的升温速率进行升温，升温至1650℃时，保温2h，使硅能够完全渗入至素坯的中，以6℃/h的降温速率降至室温。开炉后，对试样进行喷砂、打磨处理，清理表面残硅，得到含有内部缺陷的碳化硅陶瓷。

采用超声测厚仪对试样的厚度进行检测，结果表明，试样中央10mm×10mm区域的平均检测厚度为3.21mm，而试样其他区域的平均检测厚度为7.28mm，说明本实例中试样的内部缺陷与设计缺陷一致。

实施例2

一种反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用凝胶注模成型工艺制备碳化硅素坯，之后干燥、脱脂后得到多孔碳化硅素坯；利用铣床对所述多孔碳化硅素坯进行机械加工，加工出两块长度为80mm，宽度为40mm，高度为3.5mm的表面平整的试样。

步骤2：在其中一块试样的中央10mm×10mm区域处均匀涂抹一层氧化锆粉，厚度约为0.05mm，为了涂抹均匀，事先将二氧化硅粉末同酒精、少量炭黑混匀后再进行涂抹。

步骤3：在试样的其余位置涂抹环氧树脂胶，厚度应接近0.05mm，也可以略高，保证除了中心区域为二氧化硅外其余位置均由环氧树脂胶填满，之后与另一块试样对接贴合，确保贴合时两者之间无空隙，再用一块5kg的实心铁块压紧，实心铁块事先用纱布包裹住以防对试样造成损伤，将整体放置在在背光处24h，待环氧树脂完全干燥。

步骤4：对压实后的贴合试样置于真空烧结炉中按照粘接完成后试样质量的50％的量添加硅进行反应烧结，烧结控制参数为：以6℃/h的升温速率进行升温，升温至1650℃时，保温2h，使硅能够完全渗入至素坯的中，以6℃/h的降温速率降至室温。开炉后，对试样进行喷砂、打磨处理，清理表面残硅，得到含有内部缺陷的碳化硅陶瓷。

采用超声测厚仪对试样的厚度进行检测，结果表明，试样中央10mm×10mm区域的平均检测厚度为3.58mm，而试样其他区域的平均检测厚度为7.28mm，说明本实例中试样的内部缺陷与设计缺陷一致。

本发明的反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法，利用有机粘结剂将两块碳化硅素坯粘接到一起，并在其中添加惰性无机物，利用惰性无机物阻碍硅在素坯中的熔渗，导致硅的区域缺失，进而产生缺陷，同时，有机粘结剂在高温下分解所产生的碳会同加入的硅反应生成碳化硅，使粘接处接近母材材料，同时也避免了引入杂质。本发明反应烧结碳化硅陶瓷内部缺陷的制备方法简单、可操作性强，可以制备各种形状的内部缺陷用于满足大部分无算检测技术对样品的需要，且制备过程不会产生预制缺陷位置偏移现象，制备出的内部缺陷准确性高且不会引入新的缺陷，为无损检测技术的开展以及升级提供基础支持。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。