天然高嶺土原位還原合成SiSw-Al2O3復(fù)合陶瓷材料及機理研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、SiC和Al2O3是應(yīng)用最廣的兩種結(jié)構(gòu)陶瓷,具有硬度高、強度高等優(yōu)點。然而,陶瓷最大的缺點-脆性在上述這兩種單相陶瓷中依然無法克服。采用兩相復(fù)合是解決脆性問題的有效途徑。以碳化硅晶須增強氧化鋁獲得的SiCw/Al2O3復(fù)相陶瓷其力學性能較單相Al2O3陶瓷有成倍提高,SiCw的引入對陶瓷材料的斷裂韌性、抗彎強度和抗熱震性等方面都有明顯提高。
   以天然高嶺石礦物和多種碳源(無機碳源和有機碳源)為原料,采用高溫碳熱還原技術(shù),原位

2、合成制備SiCw/Al2O3復(fù)相陶瓷材料。對高嶺石無機碳混合物反應(yīng)的熱力學過程進行了計算和研究。結(jié)合反應(yīng)熱力學、反應(yīng)動力學、材料的物相和微觀結(jié)構(gòu)分析,探討了反應(yīng)發(fā)生過程和最終結(jié)構(gòu)的形成機理。結(jié)果表明,高嶺石碳熱還原過程中,首先發(fā)生高嶺石脫水生成莫來石和高溫SiO2;然后高溫下SiO2與碳反應(yīng)生成SiC;最后莫來石與碳發(fā)生碳熱還原生成SiCw和Al2O3。其中,SiC晶須的形成機理較為復(fù)雜:1300℃高溫下SiO2與C首先發(fā)生固相反應(yīng),形

3、成SiC顆粒;隨著溫度的升高,系統(tǒng)中出現(xiàn)SiO氣相,出現(xiàn)的SiO以SiC顆粒為核,在SiC顆粒表面與CO發(fā)生氣氣反應(yīng),并沿SiC(111)晶面擇優(yōu)生長為SiC晶須。
   以炭黑、石墨、活性碳等為碳源,詳細研究了各工藝參數(shù)對反應(yīng)產(chǎn)物的影響。結(jié)果表明,合成溫度制度對產(chǎn)物的物相的決定性作用;而碳源對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)有重要的影響。采用無機碳源時,最佳工藝參數(shù)為:高嶺石與炭黑的摩爾比為1:8,氬氣流量80 ml/min,合成溫度1500℃,恒

4、溫2 h。在該條件下獲得了兩相均勻混合的SiCw/Al2O3復(fù)合粉,其中SiC為晶須,Al2O3為顆粒,SiC晶須的直徑≤200 nm,長度≥5μm,長徑比≥25。
   采用高嶺石有機插層技術(shù),通過極性有機小分子(DMSO)插層,有機單體置換,加熱聚合等工藝過程,成功地獲得了聚合物(苯乙烯、丙烯腈)插層高嶺石。以高嶺石聚合物插層復(fù)合物為原料,采用高溫碳熱還原技術(shù),原位合成制備了SiCw/Al2O3復(fù)相陶瓷粉。研究發(fā)現(xiàn)采用高嶺石

5、聚合物插層復(fù)合物為原料的合成溫度較無機碳合成溫度有較大的降低。分析認為:插入高嶺石層間的聚合物高溫下發(fā)生碳化,形成高嶺石結(jié)構(gòu)層-碳層的疊層結(jié)構(gòu),高嶺石結(jié)構(gòu)層與碳層以分子水平接觸,碳熱還原過程中較低溫度下發(fā)生的固相反應(yīng)無需進行長程擴散,從而大大提高了固相反應(yīng)的效能。
   論文采用上述兩種工藝路線,以高嶺石為原料,碳熱原位合成了兩相均勻的SiCw/Al2O3復(fù)合相陶瓷粉,并對SiCw/Al2O3復(fù)相陶瓷粉末進行了熱壓燒結(jié)研究。同時

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