一种用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复相陶瓷材料领域，具体涉及一种用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

二硼化钛(TiB₂)陶瓷具有熔点高(3200℃)、硬度高(3300Kg/mm²)、模量高(570GN/m²)、耐腐蚀等优点，而且是一种具有良好导电性的陶瓷，广泛应用于高温电极、高温结构材料、抗冲击部件、耐磨与耐腐蚀部件等领域。将导电的TiB₂陶瓷和非导电的陶瓷结合起来得到合适电阻率的复相陶瓷，可以制备导电坩埚，在包装材料、多层膜电容器及显象管金属化等真空蒸镀行业具有广泛的应用，是真空蒸镀行业的关键耗材。最初，人们将不同比例的非导电BN陶瓷引入，得到TiB₂-BN体系复相陶瓷，通过调控导电相和非导电相的比例获得不同的电阻率。而且，BN陶瓷能够提高蒸发坩埚的抗热震性，并且使得蒸发坩埚容易加工。制备过程则采用热压烧结方法，温度1400-1700℃，压力为10-30MPa，见文献[1]。但是，TiB₂-BN复相陶瓷导电坩埚存在高温强度较差、容易吸潮等问题。文献[2]在TiB₂-BN体系中引入了AlN陶瓷，采用1950℃、30MPa的热压烧结法得到TiB₂-BN-AlN复相陶瓷坩埚，提高了坩埚对铝液的润湿性，但是存在导电率不均匀、使用温度降低等问题。文献[3]在TiB₂-BN体系中引入了SiC陶瓷，采用热压法得到TiB₂-BN-SiC复相陶瓷坩埚，这种坩埚在800-1800℃之间使用时电阻率变化仅为4％，但是存在寿命缩短等问题。文献[4]在TiB₂-BN体系中引入了Ca，采用热压法得到TiB₂-BN-CaO复相陶瓷坩埚，这种坩埚解决了吸潮问题，但是损失了坩埚的高温性能和对铝液的润湿性。国内提出了混合法热压烧结TiB₂-BN-AlN复相陶瓷坩埚[5]、反应合成与热压烧结TiB₂-BN-AlN复相陶瓷坩埚[6]、无压烧结BN复相陶瓷坩埚[7]、在金属表面涂覆TiB₂陶瓷的金属坩埚[8]等方法，仍然没有解决国外专利存在的问题。

参考文献：

[1]Klaus Hunold，Alfred Lipp，and Klaus Reinmuth：Refractory，electricallyconductive，mixed materials containing boron nitride and process for theirmanufacture，United States Patent，No.4,528,120。

[2]Charles F.Jerabek：Bar evaporation source having improved wettability，United States Patent，No.4,526,840。

[3]Edward D.Parent and Thomas B.McDonough：Electrically conductive boat forvacuum evaporation of metals，United States Patent，No.4,199,480。

[4]Jungling Thomas：Material for aging-resistant ceramic vaporizers，UnitedStates Patent，No.6,466,738。

[5]谢一心、邢维明、谢腾飞、邢程波：导电复合陶瓷蒸发舟的生产方法，中国专利申请号：200510040520.6。

[6]李敏超：导电复合陶瓷蒸发舟的制造工艺，中国专利申请号：86106491A。

[7]曾照强、胡晓清：无压烧结制备氮化硼复合陶瓷蒸发舟的方法，中国专利申请号：99119429.2。

[8]李殿国、刘万生、苏启、张虎寅：一种涂有二硼化钛的坩埚及其制造方法，中国专利申请号：94115523.4。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电阻率均匀、抗热震性好、耐金属熔蚀性好的用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料及其制备方法，该多元复相陶瓷材料用于导电坩埚，具有使用寿命长的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料，其特征在于它的组成表示为：TiB₂-BN-Ti₃SiC₂，TiB₂所占质量百分比为30～60％，BN所占质量百分比为20～50％，Ti₃SiC₂所占质量百分比为20～50％。

上述一种用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)按TiB₂∶BN∶Ti∶Si∶TiC的摩尔比为(0.50～1.02)∶(0.81～2.02)∶(0.10～0.26)∶(0.10～0.26)∶(0.20～0.52)，选取TiB₂粉、BN粉、Ti粉、Si粉和TiC粉，备用；

2)将TiB₂粉、BN粉、Ti粉、Si粉和TiC粉均匀混合，置于石墨模具中，在氩气环境中采用感应热压或通电热压进行烧结，然后随炉冷却，得到用于导电坩埚的多元复相陶瓷材料；其中：采用感应热压进行烧结是在感应热压烧结炉中，以50～180℃/min的升温速度将温度升至1600～2000℃，保温30～120分钟，施加压力20～40MPa；采用通电热压进行烧结是在通电热压烧结炉中，以150～600℃/min的升温速度将温度升至1500～1900℃，保温30～60分钟，施加压力20～40MPa。

本发明通过Ti粉、Si粉、TiC粉反应合成Ti₃SiC₂，然后原位高温热压烧结获得TiB₂-BN-Ti₃SiC₂密实复相陶瓷。TiB₂陶瓷与Ti₃SiC₂陶瓷一样，均为六方层状结构，热膨胀系数相近，可以形成好的复合结构，从而获得优良的力学性能和抗热震性能。

本发明的有益效果是：利用Ti₃SiC₂陶瓷优异的导电性、抗热震性、耐腐蚀性和可加工性，将Ti₃SiC₂与TiB₂、BN复合，获得电阻率均匀、抗热震性好、耐金属熔蚀性好的多元复相陶瓷材，提高复相陶瓷坩埚的使用寿命。同时，选用的原料简单，反应合成与原位热压烧结过程一步完成，生产过程成本低。