高性能反應燒結碳化硅陶瓷材料制備及其性能研究.pdf

1、反應燒結SiC陶瓷材料誕生半個多世紀以來,已經(jīng)在國民經(jīng)濟各領域得到廣泛應用。目前實驗室條件制備的RBSC陶瓷材料性能(d=3.1g/cm3,σf=1.2GPa)遠高于工業(yè)產(chǎn)品,已有的研究證實,采用超細SiC原料是獲得高強度RBSC陶瓷材料的關鍵,但超細原料極易導致燒結過程中的滲硅阻塞和燒結爆裂,因此研究RBSC陶瓷的燒結缺陷產(chǎn)生機理,開發(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、經(jīng)濟效益。
　　 本論文研究了原料雜

2、質及素坯結構對RBSC陶瓷材料缺陷形成的機理,采用粉體改性、顆粒整形、提純以及原位凝固成型的方法,獲得了具有細晶粒結構的高強度RBSC陶瓷材料。具體在以下幾方面進行了研究:
　　 研究了在不同素坯碳密度時,以粗(14μm)、細(1.2μm)顆粒SiC原料制備的RBSC陶瓷材料,其內(nèi)部缺陷的形成機制,并對RBSC陶瓷材料中游離Si形成的殘余應力進行了理論計算。結果發(fā)現(xiàn):細顆粒SiC原料采用較低的素坯碳密度才能制備出完全燒結的RBS

3、C陶瓷材料,其機理是素坯中的毛細管小,容易造成滲Si阻塞。通過應力計算發(fā)現(xiàn),對于含Si的二元體系RBSC材料,游離Si是導致材料中過大殘余應力的原因,除了原料SiC的粒徑外,材料中游離Si的尺度對RBSC材料的強度有決定性的影響。
　　 對雜質反應的吉布斯自由能、反應起始溫度、平衡常數(shù)和氣體的平衡分壓進行了熱力學計算。結果表明:Al2O3與C的反應起始溫度為2031℃,在真空、低溫燒結時對反應過程影響不大。SiC顆粒中影響燒結過

4、程的主要雜質是Fe2O3和SiO2,在1400℃時,Fe2O3、SiO2與C反應的平衡常數(shù)分別為8.486×1011和4.216,通過燒結前的保溫可以消除Fe2O3對滲硅阻塞的影響。SiO2與C反應產(chǎn)生CO氣體,當素坯內(nèi)部溫度達到1700℃,CO氣體的平衡分壓達3.69×103KPa,其排出過程主要表現(xiàn)為CO氣體在液Si中的鼓泡和O原子在液Si中的擴散,這是造成燒結爆裂和滲Si阻塞的主要原因。
　　 研究了SiC顆粒的提純工藝對

5、RBSC陶瓷材料的燒成密度、顯微結構和抗折強度的影響。結果表明:提純后細晶粒RBSC陶瓷材料的密度由提純前的2.9834g/cm3增加到3.0513g/cm3,抗折強度由455MPa提高到545MPa。說明減少原料雜質含量可以減小素坯在燒結過程中的產(chǎn)氣量,降低滲硅阻力,RBSC陶瓷材料的密度和抗折強度得以提高。
　　 研究了整形工藝對料漿粘度和RBSC陶瓷材料抗折強度的影響。結果發(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陶瓷材料的抗折強度由526MPa提高到578MPa。說明整形工藝可以改善素坯孔結構、減小燒結體中的游離Si尺寸,提高素坯密度和RBSC陶瓷材料的抗折強度。
　　 為了滿足原位凝固成型需要,對SiC和C進行了表面改性,研究了改性工藝對料漿粘度的影響以及素坯碳密度對燒結

7、體密度和抗折強度的影響。結果表明:原料改性使料漿粘度由2188 mPa·s降低到299 mPa·s(轉速為12 r.min-1)。當素坯的碳密度為0.8406g/cm3時,對應燒結體的密度和抗折強度分別為3.0977g/cm3和893MPa,燒結體的顯微結構中游離Si分布均勻,大小普遍在1μm以下。說明料漿粘度降低是制備高度均勻素坯的基礎,高度均勻的素坯結構是獲得高性能RBSC陶瓷材料的關鍵。
　　 研究了燒結工藝對RBSC陶瓷