顆粒、晶須強(qiáng)韌化碳化硅陶瓷及在密封環(huán)中的應(yīng)用.pdf

1、碳化硅陶瓷具有比重小、硬度高、比強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震性能良好等特點(diǎn)，被譽(yù)為第四代機(jī)械密封材料，廣泛用于各類特殊工況條件下工業(yè)設(shè)備和裝置的機(jī)械密封。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的碳化硅陶瓷密封環(huán)主要采用反應(yīng)燒結(jié)法制備；由于游離硅的存在，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅密封環(huán)的耐高溫性、耐腐蝕性較差，力學(xué)性能偏低，對應(yīng)用環(huán)境和工況條件有諸多限制。而對使用溫度、耐腐蝕性能等要求較高的密封環(huán)則采用無壓固相燒結(jié)法制備；該燒結(jié)方法制得的密封環(huán)硬度高、彈性模量大，

2、但抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性依然較低，且摩擦系數(shù)較大，自身組對時(shí)磨損量大，在使用過程中的可靠性差，工作壽命較短；此外，該燒結(jié)方法還存在燒結(jié)溫度高(最高達(dá)2300℃)、能耗大等問題，較高的生產(chǎn)成本限制了碳化硅密封環(huán)的推廣應(yīng)用。由此，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于研究低溫液相燒結(jié)技術(shù)制備高強(qiáng)度、高韌性碳化硅陶瓷，并取得一定的成效。但目前低溫液相燒結(jié)技術(shù)的研究基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未見其應(yīng)用于碳化硅密封環(huán)的工業(yè)化生產(chǎn)。
　　 本文以工業(yè)級碳化硅微粉為主

3、要原料，采用無壓液相燒結(jié)技術(shù)開展碳化硅陶瓷的強(qiáng)韌化研究，并應(yīng)用于碳化硅密封環(huán)的工業(yè)生產(chǎn)。通過在SiC基體中引入力學(xué)性能優(yōu)異的第二相材料提高其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，以石墨顆粒為添加劑改善SiC復(fù)合陶瓷的自潤滑性能，實(shí)現(xiàn)了高性能SiC密封環(huán)的低成本生產(chǎn)。主要研究結(jié)果如下：
　　 (一)以納米和微米SiC晶須、納米SiC、SiB6、TiN顆粒作為第二相材料，系統(tǒng)研究了pH值、分散劑種類及其含量對第二相材料在水介質(zhì)中分散的影響機(jī)制，考察了

4、SiC復(fù)合料漿的流變特性、噴霧造粒及復(fù)合粉體的成型性能。研究結(jié)果表明：1)pH值對微米SiC晶須、納米SiC晶須和納米SiC顆粒的分散有一定影響，但隨著沉降時(shí)間的延長，其影響逐漸變?nèi)酰?)六偏磷酸鈉對五種第二相材料均具有良好的分散效果，在一定添加量和沉降時(shí)間下，第二相材料水基懸浮液的沉降高度均在94.0％以上，六偏磷酸鈉主要以提高顆粒間的靜電斥力來實(shí)現(xiàn)晶須或顆粒的分散；3)羧甲基纖維素鈉對微米SiC晶須有很好的分散效果，其添加量為4.0

5、wt％，沉降時(shí)間為22.0h，微米SiC晶須懸浮液的相對沉降高度為98.0％，羧甲基纖維素鈉主要通過增大晶須表面的親水性和提高晶須表面的電位絕對值實(shí)現(xiàn)分散；4)SiC基復(fù)合料漿呈現(xiàn)出剪切變稀特性，具有塑性流體的特征；噴霧造粒后，SiC復(fù)合造粒粉具有良好的流動(dòng)特性和成型性能。
　　 (二)分別以納米SiB6顆粒、微米ZrB2顆粒、納米或微米SiC晶須、納米SiC顆粒/微米SiC晶須、納米TiN顆粒/微米SiC晶須為第二相材料，采用

6、無壓液相燒結(jié)技術(shù)，制備出SiC/nmSiB6、SiC/μmZrB2、SiC/μmSiCw、SiC/nmSiCw、SiC/nmSiC/μmSiCw、SiC/nmTiN/μmSiCw等六種SiC復(fù)合陶瓷，分析了第二相材料對碳化硅陶瓷力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：1)第二相材料對碳化硅陶瓷力學(xué)性能的影響與其自身材料特性、增強(qiáng)相組成、添加量、燒結(jié)制度有關(guān)，且對同一陶瓷材料的不同力學(xué)性能的影響規(guī)律也不盡相同；2)添加納米SiB6顆?？傮w上提高

7、了碳化硅陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性，而添加微米ZrB2顆粒均能在一定程度上提高抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌性；3)微米和納米SiC晶須對碳化硅陶瓷力學(xué)性能的影響隨添加量增加和燒結(jié)溫度升高具有不同的變化規(guī)律，綜合而言，SiC晶須能明顯提高碳化硅陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性，納米SiC晶須添加量為10wt％時(shí)，維氏硬度可達(dá)33.6GPa，而微米SiC晶須添加量為30wt％時(shí)，斷裂韌性可達(dá)8.4MPa·m1/2；4)同時(shí)引入納米SiC顆粒和微米SiC

8、晶須后，隨著納米SiC顆粒與微米SiC晶須質(zhì)量比的增加，復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度和維氏硬度總體上呈增加趨勢，而斷裂韌性則先降低后升高；5)同時(shí)引入納米TiN顆粒和微米SiC晶須后，復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度明顯提高，而維氏硬度和斷裂韌性隨燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，添加2.5wt％納米TiN顆粒和2.5wt％微米SiC晶須的復(fù)合陶瓷抗彎強(qiáng)度可達(dá)1123MPa，斷裂韌性可達(dá)8.9MPa·m1/2。
　　 (三)結(jié)合SiC/nmSiB6、S

9、iC/μmZrB2、SiC/μmSiCw、SiC/nmSiCw、SiC/nmSiC/μmSiCw、SiC/nmTiN/μmSiCw等SiC復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)，探討了顆粒、晶須對碳化硅陶瓷的強(qiáng)韌化機(jī)制。研究結(jié)果表明：1)單獨(dú)引入納米SiB6、TiN、SiC和微米ZrB2顆粒時(shí)，顆粒通過對基體晶界的釘扎作用，來抑制復(fù)合陶瓷晶粒異常長大，形成晶粒尺寸細(xì)小、分布均勻的顯微結(jié)構(gòu)，降低了陶瓷中晶粒的臨界缺陷尺寸；與基體間線膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)

10、生的殘余應(yīng)力，有效提高了強(qiáng)度；同時(shí)產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)，提高了斷裂韌性；此外合理的晶粒級配改善了晶界結(jié)構(gòu)，提高了強(qiáng)度；2)高長徑比的微米和納米SiC晶須引入后，在基體中產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)，提高了斷裂韌性；其與基體間彈性模量差異導(dǎo)致的殘余應(yīng)力，有效提高了強(qiáng)度；同時(shí)陶瓷中存在的孔隙可以吸收能量，提高了斷裂韌性；3)納米TiN/微米SiC晶須、納米SiC/微米SiC晶須同時(shí)引入，集成顆粒、晶須的增強(qiáng)增韌機(jī)制，產(chǎn)生了明顯的協(xié)同效應(yīng)，有效改

11、善了碳化硅陶瓷的力學(xué)性能。
　　 (四)以石墨為潤滑添加劑，初步探討了石墨含量和燒結(jié)溫度對SiC/石墨復(fù)合陶瓷的自潤滑性能和力學(xué)性能的影響，并揭示了其自潤滑機(jī)制。研究結(jié)果表明：1)隨著石墨添加量的增加，SiC/石墨復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度和維氏硬度不斷降低，但摩擦系數(shù)也明顯減小，當(dāng)石墨含量為10wt％、燒結(jié)溫度為1850℃，碳化硅陶瓷的摩擦系數(shù)由未添加的0.46降至0.21，顯示了良好的自潤滑性能；2)含石墨碳化硅陶瓷密封材料的自潤滑

12、機(jī)制主要為片狀結(jié)構(gòu)石墨的低摩擦、自潤滑特性可以改善碳化硅密封環(huán)的自潤滑性能；其次，脫落的石墨磨屑部分粘附于密封端面，部分破碎、細(xì)化后粘附于其他硬性磨粒表面形成保護(hù)層，隔絕了磨粒與端面或密封端面之間的直接接觸，從而改善碳化硅密封環(huán)的摩擦性能。
　　 (五)借助工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及工藝技術(shù)，采用無壓液相燒結(jié)技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高韌性或自潤滑性能優(yōu)異的碳化硅陶瓷密封環(huán)，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究結(jié)果表明：1)生產(chǎn)出同時(shí)含2.5wt