高熱導(dǎo)率SiC陶瓷材料制備及應(yīng)用研究.pdf

1、能源和環(huán)境是制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵問題。陶瓷換熱器能夠顯著提高能源利用效率，降低能源消耗，減少污染排放，在化工、冶金、石油和電力等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。碳化硅(Silicon Carbide，SiC)陶瓷具有熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制備陶瓷換熱器，特別是用于高溫、強(qiáng)酸堿腐蝕及強(qiáng)磨損等惡劣工況換熱器較為理想的材料。本論文的目的是通過配方組成和制備工藝的研究提高SiC陶瓷的熱導(dǎo)率，探討SiC

2、陶瓷的導(dǎo)熱機(jī)理，解決換熱器設(shè)計(jì)和制造中的關(guān)鍵技術(shù)難題，促進(jìn)SiC陶瓷換熱器的工業(yè)化應(yīng)用。
　　本論文分別采用反應(yīng)燒結(jié)、無壓液相燒結(jié)和無壓固相燒結(jié)方法制備SiC陶瓷材料，研究了配方組成、燒結(jié)制度等對材料力學(xué)性能、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率及微觀結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化了制備高熱導(dǎo)率SiC陶瓷的工藝參數(shù)，探討了SiC陶瓷導(dǎo)熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際工況，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了SiC陶瓷換熱器，并成功用于冷軋板生產(chǎn)線水蒸氣與濃鹽酸的熱交換。主要研究結(jié)論如下

3、:
　　1)采用正交試驗(yàn)方法研究了SiC微粉顆粒級配、碳(C)含量和成型壓力對反應(yīng)結(jié)合SiC(RBSC)陶瓷性能、物相組成及微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:C含量和成型壓力對RBSC陶瓷性能有較大影響;隨著C含量和成型壓力的增加，RBSC陶瓷試樣中游離Si含量逐漸降低，密度、熱導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度逐漸增大。但是，當(dāng)C含量和成型壓力超過一定數(shù)值時(shí)，反而導(dǎo)致滲Si困難，試樣內(nèi)出現(xiàn)殘留C，使力學(xué)性能和熱導(dǎo)率降低。當(dāng)平均粒徑為

4、7.0和13.0μm的SiC微粉的質(zhì)量比6∶4，C含量20 wt.％，成型壓力90 MPa時(shí)，1650℃保溫120 min燒結(jié)制得的RBSC試樣密度最大達(dá)到3.13 g/cm3，熱導(dǎo)率最大為124W/(m·K)，顯微硬度為27 GPa，彎曲強(qiáng)度為425MPa，斷裂韌性為5.5 MPa·m1/2。
　　2)以Al2O3-Y2O3為基礎(chǔ)燒結(jié)助劑，并分別加入La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3組成復(fù)合氧化物助劑，研

5、究了燒結(jié)助劑組成及含量、燒結(jié)溫度和氣氛對無壓液相燒結(jié)SiC陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明:氬氣氣氛下制得試樣的性能比氮?dú)飧?氬氣氣氛下，當(dāng)Al2O3-Y2O3(摩爾比5∶3)添加量相同時(shí)，在1750～1900℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度提高，試樣的相對密度、熱導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)添加8 wt.％的Al2O3-Y2O3為液相助劑，燒結(jié)溫度1850℃時(shí)，相對密度最大達(dá)到97.47％，熱導(dǎo)率最大達(dá)到72 W

6、/(m·K)，彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性最大分別為576 MPa和7.6 MPa·m1/2。在Al2O3-Y2O3中分別加入少量La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3組成復(fù)合氧化物助劑，沒有對試樣的熱導(dǎo)率產(chǎn)生有利影響。
　　3)研究了C源及含量、B4C含量和燒結(jié)制度對無壓固相燒結(jié)SiC(SCBC)陶瓷試樣性能、物相組成及微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:以液體酚醛樹脂(PF)為C源的試樣性能比碳黑的更好，在2.0～12.0

7、 wt.％范圍內(nèi)，隨著C含量增加，試樣彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性、顯微硬度和熱導(dǎo)率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;隨B4C含量增加試樣性能有相同的變化趨勢;提高燒結(jié)溫度或延長保溫時(shí)間均有利于提高試樣力學(xué)性能和熱導(dǎo)率，但燒結(jié)溫度過高或保溫時(shí)間過長反而導(dǎo)致力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的降低。優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和制備工藝為:8wt.％的PF，1wt.％的B4C，2100℃保溫60 min，氬氣氣氛無壓固相燒結(jié)。所制備材料的相對密度99.05％，維氏顯微硬度27 G

8、Pa，彎曲強(qiáng)度423MPa，斷裂韌性4.6 MPa·m1/2，熱導(dǎo)率113 W/(m·K)。
　　4)在優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和工藝基礎(chǔ)上加入石墨烯，研究了石墨烯加入量對試樣性能的影響。研究結(jié)果表明:在0～5.0 wt.％范圍內(nèi)，隨著石墨烯加入量的增加，試樣的相對密度逐漸降低，電導(dǎo)率逐漸增大，熱導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)石墨烯含量為2.0 wt.％時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到最大值145 W/(m·K)，比不

9、含石墨烯的試樣提高了27％。
　　分別研究了添加AlN和TiB2對SCBC陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明:雖然AlN的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于TiB2，而且添加AlN試樣的致密度更高，但是，在燒結(jié)過程中，由于AlN與SiC反應(yīng)形成低熱導(dǎo)率的固溶體，而TiB2與SiC不反應(yīng)，使得添加AlN試樣的熱導(dǎo)率反而低于添加TiB2的試樣。
　　5)探討了SiC陶瓷導(dǎo)熱機(jī)理，研究了SiC陶瓷熱導(dǎo)率的影響因素。SiC陶瓷主要依靠晶格振動的格波導(dǎo)熱，即聲子

10、導(dǎo)熱。基于對SiC陶瓷熱導(dǎo)率影響因素的分析，建立了“聲子勢壘”數(shù)理模型，并用該模型定性地描述了不同SiC陶瓷的導(dǎo)熱過程。氣孔、雜質(zhì)和晶界等缺陷都可以視作聲子導(dǎo)熱的“勢壘”，聲子在傳輸過程中越過“勢壘”導(dǎo)致能量降低、數(shù)量減少，“勢壘”高度越大，對熱導(dǎo)率的影響也越大。RBSC陶瓷中，聲子導(dǎo)熱需要越過游離硅形成的“聲子勢壘”，游離硅含量越高，“勢壘”高度越大，對熱導(dǎo)率影響越大;液相燒結(jié)SiC陶瓷中，聲子導(dǎo)熱需要越過晶界液相形成的“聲子勢壘”，

11、液相組成越復(fù)雜，含量越高，“勢壘”高度越大，對熱導(dǎo)率影響越大;SCBC陶瓷中，聲子導(dǎo)熱需要越過B4C和C雜質(zhì)形成的“聲子勢壘”，并受到氣孔形成的“聲子勢壘”的影響;添加石墨烯的SCBCG陶瓷的導(dǎo)熱過程與SCBC陶瓷導(dǎo)熱過程相似，但石墨烯高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率相當(dāng)于“拓寬”了聲子傳輸?shù)耐ǖ?，因而提高了SCBCG陶瓷的熱導(dǎo)率。
　　6)通過對SiC陶瓷換熱管制備工藝的研究，制備了SiC陶瓷換熱管;通過換熱管壁厚對換熱效果影響及密封方式的研

12、究，確定采用同心圓扇形輻射分布的排管方式，以壁厚為3.5 mm、內(nèi)徑為18 mm的反應(yīng)結(jié)合SiC陶瓷換熱管制備了用于加熱濃鹽酸的換熱器，分別采用“臺階孔-聚四氟乙烯橡膠套”相結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)和彈簧膨脹補(bǔ)償作用解決了SiC陶瓷管與陶瓷板之間、SiC陶瓷換熱器內(nèi)芯與金屬外殼之間的密封難題。該換熱器成功用于冷軋板生產(chǎn)線，應(yīng)用結(jié)果表明:相同條件下，SiC陶瓷換熱器可將鹽酸加熱溫度由61℃提高到85℃，冷流體溫度效率比原來的石墨換熱器提高了77％。