高性能反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷材料制備及其性能研究.pdf

1、反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷材料誕生半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前實(shí)驗(yàn)室條件制備的RBSC陶瓷材料性能(d=3.1g/cm3,σf=1.2GPa)遠(yuǎn)高于工業(yè)產(chǎn)品,已有的研究證實(shí),采用超細(xì)SiC原料是獲得高強(qiáng)度RBSC陶瓷材料的關(guān)鍵,但超細(xì)原料極易導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中的滲硅阻塞和燒結(jié)爆裂,因此研究RBSC陶瓷的燒結(jié)缺陷產(chǎn)生機(jī)理,開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)異的RBSC陶瓷材料,具有重要理論意義和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
　　 本論文研究了原料雜

2、質(zhì)及素坯結(jié)構(gòu)對(duì)RBSC陶瓷材料缺陷形成的機(jī)理,采用粉體改性、顆粒整形、提純以及原位凝固成型的方法,獲得了具有細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度RBSC陶瓷材料。具體在以下幾方面進(jìn)行了研究:
　　 研究了在不同素坯碳密度時(shí),以粗(14μm)、細(xì)(1.2μm)顆粒SiC原料制備的RBSC陶瓷材料,其內(nèi)部缺陷的形成機(jī)制,并對(duì)RBSC陶瓷材料中游離Si形成的殘余應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn):細(xì)顆粒SiC原料采用較低的素坯碳密度才能制備出完全燒結(jié)的RBS

3、C陶瓷材料,其機(jī)理是素坯中的毛細(xì)管小,容易造成滲Si阻塞。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn),對(duì)于含Si的二元體系RBSC材料,游離Si是導(dǎo)致材料中過(guò)大殘余應(yīng)力的原因,除了原料SiC的粒徑外,材料中游離Si的尺度對(duì)RBSC材料的強(qiáng)度有決定性的影響。
　　 對(duì)雜質(zhì)反應(yīng)的吉布斯自由能、反應(yīng)起始溫度、平衡常數(shù)和氣體的平衡分壓進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算。結(jié)果表明:Al2O3與C的反應(yīng)起始溫度為2031℃,在真空、低溫?zé)Y(jié)時(shí)對(duì)反應(yīng)過(guò)程影響不大。SiC顆粒中影響燒結(jié)過(guò)

4、程的主要雜質(zhì)是Fe2O3和SiO2,在1400℃時(shí),Fe2O3、SiO2與C反應(yīng)的平衡常數(shù)分別為8.486×1011和4.216,通過(guò)燒結(jié)前的保溫可以消除Fe2O3對(duì)滲硅阻塞的影響。SiO2與C反應(yīng)產(chǎn)生CO氣體,當(dāng)素坯內(nèi)部溫度達(dá)到1700℃,CO氣體的平衡分壓達(dá)3.69×103KPa,其排出過(guò)程主要表現(xiàn)為CO氣體在液Si中的鼓泡和O原子在液Si中的擴(kuò)散,這是造成燒結(jié)爆裂和滲Si阻塞的主要原因。
　　 研究了SiC顆粒的提純工藝對(duì)

5、RBSC陶瓷材料的燒成密度、顯微結(jié)構(gòu)和抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:提純后細(xì)晶粒RBSC陶瓷材料的密度由提純前的2.9834g/cm3增加到3.0513g/cm3,抗折強(qiáng)度由455MPa提高到545MPa。說(shuō)明減少原料雜質(zhì)含量可以減小素坯在燒結(jié)過(guò)程中的產(chǎn)氣量,降低滲硅阻力,RBSC陶瓷材料的密度和抗折強(qiáng)度得以提高。
　　 研究了整形工藝對(duì)料漿粘度和RBSC陶瓷材料抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):整形后的1.2μmSiC在注漿成型工藝中制備

6、料漿的粘度由整形前的2412 mPa·s降低到495 mPa·s(轉(zhuǎn)速為12 r.min-1),素坯密度由1.9260g/cm3提高到1.9898g/cm3,RBSC陶瓷材料的抗折強(qiáng)度由526MPa提高到578MPa。說(shuō)明整形工藝可以改善素坯孔結(jié)構(gòu)、減小燒結(jié)體中的游離Si尺寸,提高素坯密度和RBSC陶瓷材料的抗折強(qiáng)度。
　　 為了滿足原位凝固成型需要,對(duì)SiC和C進(jìn)行了表面改性,研究了改性工藝對(duì)料漿粘度的影響以及素坯碳密度對(duì)燒結(jié)

7、體密度和抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:原料改性使料漿粘度由2188 mPa·s降低到299 mPa·s(轉(zhuǎn)速為12 r.min-1)。當(dāng)素坯的碳密度為0.8406g/cm3時(shí),對(duì)應(yīng)燒結(jié)體的密度和抗折強(qiáng)度分別為3.0977g/cm3和893MPa,燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)中游離Si分布均勻,大小普遍在1μm以下。說(shuō)明料漿粘度降低是制備高度均勻素坯的基礎(chǔ),高度均勻的素坯結(jié)構(gòu)是獲得高性能RBSC陶瓷材料的關(guān)鍵。
　　 研究了燒結(jié)工藝對(duì)RBSC陶瓷