再結(jié)晶碳化硅燒結(jié)機(jī)理及其材料性能改進(jìn)研究.pdf

1、再結(jié)晶碳化硅(RSiC)因其高純度、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性等而廣泛應(yīng)用于高溫窯具、冶金及尾氣過濾、熱交換及電熱材料等苛刻領(lǐng)域中。但由于RSiC自身在燒成過程中不產(chǎn)生收縮的特征使得其致密度不高，且氣孔基本為開口連通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其力學(xué)性能和抗氧化能力有限，難以滿足日益發(fā)展的應(yīng)用需求；并且高性能RSiC的關(guān)鍵制備技術(shù)仍掌握在國外少數(shù)企業(yè)中，致使價(jià)格高昂。綜合近年國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，對RSiC的燒成機(jī)制及雜質(zhì)對其燒成性能的影響等相關(guān)研

2、究較少，這些又是與RSiC顯微結(jié)構(gòu)極為相關(guān)的因素，進(jìn)而影響到材料的相關(guān)性能，然而其極高的制備溫度(普通RSiC的制備溫度在2200～2450℃)導(dǎo)致對其細(xì)致系統(tǒng)研究較為困難。本文在這一大背景下，從RSiC的燒成機(jī)制及顯微結(jié)構(gòu)的變化等基本問題出發(fā)，逐步深入到原料雜質(zhì)的影響機(jī)制，進(jìn)而根據(jù)RSiC在應(yīng)用中的不足開展其相關(guān)性能改善方面的研究。
　　研究了不同粒徑及粒徑組合的SiC壓制體在不同溫度下的再結(jié)晶過程，將其顯微結(jié)構(gòu)與其燒結(jié)機(jī)制、原

3、料粒徑組成、溫度相互關(guān)聯(lián)起來，分析了其再結(jié)晶機(jī)制并提出如何調(diào)控顯微結(jié)構(gòu)而優(yōu)化材料性能的方法。研究表明RSiC在低溫下(2350℃以下)以表面擴(kuò)散、高溫下(2350℃以上)以蒸發(fā)一凝聚為主要傳質(zhì)機(jī)制實(shí)現(xiàn)其再結(jié)晶；原料的粒徑組成和燒成溫度對RSiC的顯微結(jié)構(gòu)和晶體長大影響很大，單一粒徑組成時(shí)晶體長大受溫度影響較小，混合粒徑時(shí)顆粒兼并顯著，且隨溫度的升高顆粒兼并能力大幅提高，并造成晶體長大；調(diào)整原料粒徑組成、燒成溫度可實(shí)現(xiàn)RSiC的氣孔率及孔

4、徑、性能等調(diào)控。
　　研究了SiC原料中最常見的雜質(zhì)SiO2在不同含量及不同溫度下對RSiC在燒成過程中失重、顯微形貌及副產(chǎn)物形貌的影響。在再結(jié)晶條件下，SiO2以液相的形式包覆在SiC顆粒表面，并在SiO2/SiC的固液界面上與SiC反應(yīng)產(chǎn)生氣相SiO(g)和CO(g)產(chǎn)物，SiO(g)在界面進(jìn)一步促進(jìn)SiC的分解反應(yīng)，造成比純SiC再結(jié)晶更大的失重；這一過程使SiC在高溫下的主要?dú)庀嘟M成從純SiC的SiC2(g)、Si2C(g

5、)、Si(g)轉(zhuǎn)變成高SiO(g)和CO(g)分壓的組成，抑制了SiC的有效再結(jié)晶氛圍，延長了RSiC正常的燒成時(shí)間；分析副產(chǎn)物的生長環(huán)境、形貌及生長速率，從側(cè)面證明了失重及形貌分析關(guān)于SiO2雜質(zhì)對SiC再結(jié)晶過程影響的合理性。
　　針對目前RSiC致密度和強(qiáng)度不高的現(xiàn)狀，研究了以聚碳硅烷(PCS)為前驅(qū)體、聚合物浸漬-裂解法(PIP)和高溫再結(jié)晶相結(jié)合的循環(huán)處理方法增加具有不同氣孔率的RSiC的致密度。通過預(yù)氧化與高溫處理相結(jié)

6、合的方法可獲得純度較高的、對RSiC性能無害的SiC產(chǎn)物。用PCS/二甲苯(Xylene)溶液浸漬增密RSiC裂解后可得到結(jié)構(gòu)均勻的材料，但效率較低；以SiC/PCS/Xylene漿料浸漬可大幅提高增密效率，但易形成表面致密、內(nèi)部疏松的結(jié)構(gòu)；單純的PIP法因裂解產(chǎn)物堵塞導(dǎo)致增密最終致密度有限，而再結(jié)晶處理使裂解SiC經(jīng)蒸發(fā)一凝聚過程沉積在初始RSiC上，打開堵塞的孔隙，突破了這一限制，有助于后續(xù)PIP的再開始；最后在商用最好的RSiC基

7、礎(chǔ)上通過3次PIP+再結(jié)晶處理成功制備出高密度、高強(qiáng)度的高性能RSiC材料。
　　針對RSiC因開口連通氣孔結(jié)構(gòu)而抗氧化能力不足的缺陷，利用直接熔滲法使MoSi2與SiC復(fù)合形成致密材料進(jìn)行改善。熔滲溫度下MoSi2熔體比較穩(wěn)定，與SiC具有較好的潤濕性和相容性，但仍部分分解，并與SiC反應(yīng)形成Mo4.8Si3C0.6相；SiC與MoSi2之間的熱膨脹系數(shù)差異較大致使冷卻后材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，影響了其力學(xué)性能的提高；制備的RSiC-