生物質(zhì)SiC陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)熔滲制備與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、生物質(zhì)SiC陶瓷材料除具有普通SiC陶瓷材料所具有的低密度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損和抗氧化等優(yōu)良性能外，還具有原材料來源廣泛，制備成本低和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、化工、催化和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而成為近年來國內(nèi)外廣泛研究的一類環(huán)境友好型材料。本文具有創(chuàng)新性的以稻殼作為原材料，對其高溫裂解成碳化硅和碳后直接制備成預(yù)制件，或再在預(yù)制件中添加Mo粉和SiC粉（0.5μm），通過采用Si和Fe-Si合金對預(yù)制件進(jìn)行反應(yīng)熔滲，

2、制備了多種具有不同組織結(jié)構(gòu)特征的SiC陶瓷基復(fù)合材料。采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡和元素分析等材料分析方法研究了稻殼高溫裂解參數(shù)對裂解產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)和形貌的影響;研究了熔滲反應(yīng)溫度、預(yù)制件中Mo粉和SiC粉的添加及其添加量等參數(shù)對制備的SiC陶瓷基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，并分析了不同組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的斷裂機(jī)制。
　　研究結(jié)果表明，稻殼于900℃碳化后再在Ar氣氛下經(jīng)1550℃碳熱還原反應(yīng)6h，生成了含SiC晶須(

3、SiCw)、顆粒和碳的混合物，其中碳含量經(jīng)燃燒法測定約為65wt.％。SiC晶須的平均直徑約200nm，長數(shù)十微米。該碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)球磨分散后等靜壓成型制備成預(yù)制件，對其進(jìn)行液Si反應(yīng)熔滲，可獲得致密的含SiC晶須和細(xì)小SiC顆粒的SiCw/SiC-Si復(fù)合材料。預(yù)制件中的SiC晶須在復(fù)合材料里得到很好的保留，對復(fù)合材料起到增強(qiáng)增韌作用。產(chǎn)物中的碳與液Si反應(yīng)，生成了細(xì)小的SiC顆粒。在1550℃保溫1h熔滲條件下獲得的復(fù)合材料致密

4、度高、綜合機(jī)械性能好，其維氏硬度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性值分別為18.8±0.6GPa、354±2GPa、450±40MPa和3.5±0.3MPam1/2。而太低的熔滲溫度(1450℃)和太高的熔滲溫度(1600℃)時，前者由于熔滲反應(yīng)動力不足，后者由于Si的過量揮發(fā)，復(fù)合材料中均存在一定量的殘留碳，不利于材料的機(jī)械性能。
　　通過在稻殼碳熱還原產(chǎn)物制備的預(yù)制件中添加SiC粉可獲得高致密度的SiCw/SiC-Si復(fù)合材料。隨

5、著預(yù)制件中SiC加入量的增加，復(fù)合材料中SiC和Si兩相的平均顆粒尺寸逐漸下降，兩相分布愈加均勻。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著少量（20wt.％）外SiC的加入，先略下降，后隨著SiC加入量的進(jìn)一步增加（40wt.％及以上）其彎曲強(qiáng)度不斷增加。當(dāng)SiC加入量為80wt.％時，復(fù)合材料具有最高的彎曲強(qiáng)度590MPa。強(qiáng)度的提高主要來自于復(fù)合材料中SiC顆粒的彌散強(qiáng)化作用。復(fù)合材料的斷裂韌性隨著SiC的添加先略微下降，而后當(dāng)SiC加入量增加至40

6、wt.％時，達(dá)到最大值4.0±0.3MPam1/2，但SiC加入量繼續(xù)增加至60和80wt.％時，斷裂韌性值又下降，但維持在3.4MPam1/2。復(fù)合材料的維氏硬度從預(yù)制件中未添加SiC時的18.6GPa增加到添加20wt.％SiC時的21GPa，但隨著預(yù)制件中SiC添加量進(jìn)一步增加逐漸下降，至添加80wt.％的17.3GPa。復(fù)合材料的機(jī)械性能是復(fù)合材料中SiC晶須含量、SiC顆粒尺寸及其分布和殘余Si含量綜合作用的結(jié)果。
　　

7、稻殼碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物與10-30wt.％的Mo粉混合制備的預(yù)制件經(jīng)液Si反應(yīng)熔滲，可獲得致密的含SiCw的SiCw/MoSi2-SiC復(fù)合材料。預(yù)制件中的Mo在熔滲過程中與Si反應(yīng)，生成MoSi2。該方法可在較低的制備溫度下獲得SiC/MoSi2復(fù)合材料。復(fù)合材料中MoSi2的引入提高了復(fù)合材料的彈性模量和斷裂韌性，但是降低了其彎曲強(qiáng)度。當(dāng)復(fù)合材料中MoSi2的含量為11wt.％時，復(fù)合材料具有最高的斷裂韌性值，為4.1MPam1/2。

8、而較低的MoSi2含量，對斷裂韌性的改善不明顯;較高的MoSi2含量，導(dǎo)致復(fù)合材料中過高的殘余應(yīng)力，會降低材料的斷裂韌性。
　　向稻殼經(jīng)900℃碳化后的粉體材料中添加15-45wt.％的不同量SiC粉，混合分散后制備成預(yù)制件，再經(jīng)1550℃碳熱還原反應(yīng)后通過熔滲FeSi2合金，獲得了SiC/Fe-Si復(fù)合材料。熔滲過程中預(yù)制件中的碳與FeSi2合金中的Si反應(yīng)生成SiC，而FeSi2由于部分Si被消耗，冷卻后部分轉(zhuǎn)變成FeSi相。

9、隨著預(yù)制件中SiC添加量增加，復(fù)合材料中FeSi2量增加，F(xiàn)eSi量減小。復(fù)合材料的硬度、楊氏模量、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均隨著SiC加入量增加到30wt.％而逐漸增加，分別達(dá)到18.2GPa、290GPa、213MPa和4.9MPam1/2。其中斷裂韌性遠(yuǎn)高于普通反應(yīng)熔滲SiC陶瓷。該復(fù)合材料中SiC顆粒細(xì)小，分布均勻。而當(dāng)SiC加入量繼續(xù)增加至45wt.％時，由于復(fù)合材料中線膨脹系數(shù)差別較大的FeSi2和FeSi兩相含量差別進(jìn)一步增加，

10、復(fù)合材料中殘余應(yīng)力過大，產(chǎn)生微裂紋，除硬度外各機(jī)械性能值下降。與熔滲Si相比，由于Fe-Si合金具有相對較高的韌性，復(fù)合材料的斷裂韌性得到明顯提高。
　　以稻殼碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物為原材料通過熔滲反應(yīng)制備的SiCw/SiC-Si復(fù)合材料中的SiC晶須對復(fù)合材料起到增韌強(qiáng)化作用，在材料的斷裂過程中存在SiC晶須和細(xì)小SiC的拔出，這均有利于復(fù)合材料斷裂韌性的提高。但復(fù)合材料中也存在明顯的大SiC顆粒和Si相的穿晶斷裂。SiCw/SiC-