天然高嶺土原位還原合成SiSw-Al2O3復(fù)合陶瓷材料及機(jī)理研究.pdf

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(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，陶瓷最大的缺點(diǎn)-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(qiáng)氧化鋁獲得的SiCw/Al2O3復(fù)相陶瓷其力學(xué)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(qiáng)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(jī)碳源和有機(jī)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(jī)碳混合物反應(yīng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行了計(jì)算和研究。結(jié)合反應(yīng)熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、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(jī)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(jī)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(xì)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(jī)碳源時(shí)，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(jī)插層技術(shù)，通過極性有機(jī)小分子(DMSO)插層，有機(jī)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(jī)碳合成溫度有較大的降低。分析認(rèn)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(jìn)行長程擴(kuò)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(jìn)行了熱壓燒結(jié)研究。同時(shí)