高性能反应烧结碳化硅陶瓷材料制备及其性能研究

摘要

反应烧结SiC陶瓷材料诞生半个多世纪以来,已经在国民经济各领域得到广泛应用。目前实验室条件制备的RBSC陶瓷材料性能(d=3.1g/cm3,σf=1.2GPa)远高于工业产品,已有的研究证实,采用超细SiC原料是获得高强度RBSC陶瓷材料的关键,但超细原料极易导致烧结过程中的渗硅阻塞和烧结爆裂,因此研究RBSC陶瓷的烧结缺陷产生机理,开发性能更加优异的RBSC陶瓷材料,具有重要理论意义和社会、经济效益。
　　 本论文研究了原料杂质及素坯结构对RBSC陶瓷材料缺陷形成的机理,采用粉体改性、颗粒整形、提纯以及原位凝固成型的方法,获得了具有细晶粒结构的高强度RBSC陶瓷材料。具体在以下几方面进行了研究:
　　 研究了在不同素坯碳密度时,以粗(14μm)、细(1.2μm)颗粒SiC原料制备的RBSC陶瓷材料,其内部缺陷的形成机制,并对RBSC陶瓷材料中游离Si形成的残余应力进行了理论计算。结果发现:细颗粒SiC原料采用较低的素坯碳密度才能制备出完全烧结的RBSC陶瓷材料,其机理是素坯中的毛细管小,容易造成渗Si阻塞。通过应力计算发现,对于含Si的二元体系RBSC材料,游离Si是导致材料中过大残余应力的原因,除了原料SiC的粒径外,材料中游离Si的尺度对RBSC材料的强度有决定性的影响。
　　 对杂质反应的吉布斯自由能、反应起始温度、平衡常数和气体的平衡分压进行了热力学计算。结果表明:Al2O3与C的反应起始温度为2031℃,在真空、低温烧结时对反应过程影响不大。SiC颗粒中影响烧结过程的主要杂质是Fe2O3和SiO2,在1400℃时,Fe2O3、SiO2与C反应的平衡常数分别为8.486×1011和4.216,通过烧结前的保温可以消除Fe2O3对渗硅阻塞的影响。SiO2与C反应产生CO气体,当素坯内部温度达到1700℃,CO气体的平衡分压达3.69×103KPa,其排出过程主要表现为CO气体在液Si中的鼓泡和O原子在液Si中的扩散,这是造成烧结爆裂和渗Si阻塞的主要原因。
　　 研究了SiC颗粒的提纯工艺对RBSC陶瓷材料的烧成密度、显微结构和抗折强度的影响。结果表明:提纯后细晶粒RBSC陶瓷材料的密度由提纯前的2.9834g/cm3增加到3.0513g/cm3,抗折强度由455MPa提高到545MPa。说明减少原料杂质含量可以减小素坯在烧结过程中的产气量,降低渗硅阻力,RBSC陶瓷材料的密度和抗折强度得以提高。
　　 研究了整形工艺对料浆粘度和RBSC陶瓷材料抗折强度的影响。结果发现:整形后的1.2μmSiC在注浆成型工艺中制备料浆的粘度由整形前的2412 mPa·s降低到495 mPa·s(转速为12 r.min-1),素坯密度由1.9260g/cm3提高到1.9898g/cm3,RBSC陶瓷材料的抗折强度由526MPa提高到578MPa。说明整形工艺可以改善素坯孔结构、减小烧结体中的游离Si尺寸,提高素坯密度和RBSC陶瓷材料的抗折强度。
　　 为了满足原位凝固成型需要,对SiC和C进行了表面改性,研究了改性工艺对料浆粘度的影响以及素坯碳密度对烧结体密度和抗折强度的影响。结果表明:原料改性使料浆粘度由2188 mPa·s降低到299 mPa·s(转速为12 r.min-1)。当素坯的碳密度为0.8406g/cm3时,对应烧结体的密度和抗折强度分别为3.0977g/cm3和893MPa,烧结体的显微结构中游离Si分布均匀,大小普遍在1μm以下。说明料浆粘度降低是制备高度均匀素坯的基础,高度均匀的素坯结构是获得高性能RBSC陶瓷材料的关键。
　　 研究了烧结工艺对RBSC陶瓷材料抗折强度和晶粒尺寸的影响。结果表明:在真空烧结条件下,晶粒基本不发生长大,烧结体的抗折强度分别为541MPa;在Ar保护烧结工艺下,烧结体的晶粒尺寸由原始的1.2μm长大到5～7μm,烧结体的抗折强度为244MPa。说明晶粒尺寸长大是RBSC陶瓷材料抗折强度大幅降低的主要原因。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 RBSC陶瓷材料的应用

1.2 RBSC陶瓷材料制备原理

1.3 RBSC陶瓷材料的成型工艺

1.3.1 干法成型

1.3.2 塑性成型

1.3.3 注浆成型

1.3.4 凝胶注模成型

1.4 SIC陶瓷材料的烧结工艺

1.4.1 热压烧结

1.4.2 无压烧结

1.4.3 重结晶烧结

1.4.4 反应烧结

1.5 RBSC陶瓷材料的研究进展

1.5.1 反应结合SiC

1.5.2 反应形成SiC

1.6 RBSC陶瓷材料的烧结机理研究进展

1.6.1 扩散控制机理

1.6.2 溶解—淀析机理

1.6.3 界面反应控制机理

1.7 本课题研究的主要内容和意义

1.7.1 研究的目的和意义

1.7.2 研究的主要内容

第2章 实验内容、设备及测试方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.3.1 干压成型工艺

2.3.2 注浆成型工艺

2.2.3 原位凝固成型工艺

2.4 测试方法

2.4.1 抗折强度测试

2.4.2 密度测试

2.4.3 粉体振实密度测试

2.4.4 试样发热温度的测定

2.4.5 颗粒粒度分布分析

2.4.6 显微结构分析

2.4.7 素坯的孔结构分析

2.4.8 断口和抛光面形貌分析

2.4.9 气体成分分析

第3章 素坯碳密度对RBSC陶瓷材料性能的影响

3.1 前言

3.2 素坯碳密度的理论计算

3.2.1 素坯碳密度的定义

3.2.2 素坯碳密度的理论计算

3.3 素坯碳密度对粗晶粒烧结体性能的影响

3.3.1 试验过程

3.3.2 结果分析与讨论

3.3.3 小结

3.4 素坯碳密度对细晶粒烧结体性能的影响

3.4.1 试验过程

3.4.2 结果分析与讨论

3.4.3 小结

第4章 杂质的产气反应及其对RBSC陶瓷材料性能的影响

4.1 前言

4.2 产气反应的热力学计算及其对烧结过程的影响机制

4.2.1 金属氧化物的产气反应及其热力学计算

4.2.2 SiO2的产气反应及其热力学计算

4.2.3 金属氧化物的产气反应对烧结过程的影响机制

4.2.4 SiO2(s)的产气反应对烧结过程的影响机制

4.3 SIC纯度对RBSC陶瓷材料性能的影响

4.3.1 试验过程

4.3.2 结果分析与讨论

4.4 小结

第5章 整形分级工艺对RBSC陶瓷材料性能的影响

5.1 前言

5.2 整形分级工艺对颗粒形貌、振实密度和粒径分布的影响

5.2.1 试验过程

5.2.2 结果分析与讨论

5.2.3 小结

5.3 整形分级工艺对素坯密度和孔结构的影响

5.3.1 试验过程

5.3.2 结果分析与讨论

5.3.3 小结

5.4 整形工艺对烧结体性能的影响

5.4.1 试验过程

5.4.2 结果分析与讨论

5.4.3 小结

第6章 原位凝固成型工艺制备细晶粒RBSC陶瓷材料

6.1 前言

6.2 试验过程

6.3 结果分析与讨论

6.3.1 原料改性处理对料浆粘度的影响

6.3.2 原料配比对素坯碳密度的影响

6.3.3 原料改性对烧结体显微结构的影响

6.3.4 素坯碳密度对烧结体烧成密度和抗折强度的影响

6.3.5 素坯碳密度对烧结体显微结构的影响

6.4 小结

第7章 烧结工艺对RBSC陶瓷材料性能的影响

7.1 前言

7.2 试验过程

7.3 结果分析与讨论

7.3.1 烧结工艺下对素坯内部发热温度的影响

7.3.2 烧结工艺对烧结体密度的影响

7.3.3 烧结工艺对烧结体抗折强度的影响

7.3.4 烧结工艺对烧结体晶粒尺寸的影响

7.4 小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间的论文发表情况

致谢