注浆成型熔渗反应烧结碳化硅陶瓷研究

摘要

本研究采用注浆成型工艺，通过使用工业级碳化硅微粉与石油焦微粉胶态成型后，1450℃以上，采用熔渗Si反应烧结碳化硅陶瓷材料。在整个注浆成型工艺中，制备高固含量(≥50vol％)、低粘度(＜1Pa·s)的碳化硅陶瓷粉体浆料是课题重点。
　　研究了SiC粉体表面处理（洗涤、表面氧化、有机包覆）、pH值、分散剂的种类及用量、体积固含量和石油焦添加量对粉体水基浆料流变性能的影响。结果表明:粉体先用酸碱和去离子水洗涤后，再用含量为0.5wt％的聚乙二醇溶液进行包覆，最后干燥得到表面处理的SiC微粉，此微粉制得的浆料流变性能大大改善，并且确定了浆料的最佳pH在10.8。在对颗粒表面zeta电位的研究中，发现调节pH、表面处理或使用分散剂都能改变颗粒在水基溶液中的zeta电位。而加大颗粒间的zeta电位差能有效的使粉体在水中稳定分散。在对分散剂的使用研究中，发现先用聚乙二醇包覆再用CMC做分散剂调节，能使碳化硅浆料的粘度随着CMC的用量增加是先减小后增加的趋势，最终确定CMC的用量在0.3wt％。在对石油焦的添加量对浆料流变性的影响的试验中，发现石油焦添加量的增加会使浆料的粘度先降低后急剧增加，合适的石油焦的添加量在30wt％～40wt％之间;在对体积固含量对浆料的流变性能的影响中，发现浆料的粘度随着固含量的增加最明显，浆料的固含量越大，浆料的粘度就越大。
　　在注浆成型中，研究了CMC的加入量对生坯密度的影响，发现随着CMC的增加生坯密度是逐渐增加的，但是CMC用量超过0.3wt％时，会使浆料的粘度急剧增加，这使得浆料无法顺利在模具中流动，使浆料无法注满模具，形成较大的空隙。所以，CMC的用量为0.3wt％。在对石油焦的添加量对生坯密度和后续烧结密度的研究中，发现石油焦的添加量为30wt％时，生坯的相对密度最高达到70.6％，但是最终烧结出来的坯体密度最佳的石油焦配比却是35wt％，这是因为SiC粉体与石油焦粉体在粒径上存在着级配效果，较大颗粒的石油焦粉体加入量在30wt％时，碳化硅细粉能刚好添补石油焦大颗粒间的空隙，使得生坯密度最高，然而熔渗Si反应烧结碳化硅陶瓷，生坯中需要一定的空隙，这样有助于熔渗的进行和Si与石油焦的反应，故在石油焦为35wt％时，得到的SiC陶瓷材料的密度最高为3.04g·cm-3，最高抗弯强度为278MPa。
　　在对所制备的SiC陶瓷材料微观照片的研究中，探讨了熔渗Si反应烧结碳化硅陶瓷的机理。结论表明:Si在高于熔点1450℃后，通过毛细管力的作用，渗入生坯中，液态硅溶解了坯体中的石油焦，在低温区，发生了两种SiC析出形式，一种为新生成的碳化硅以原始SiC为基础生成;另一种是SiC以微颗粒在原始碳化硅间生成。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 碳化硅陶瓷概述

1．2 碳化硅陶瓷烧结工艺

1．2．1 反应烧结

1．2．2 热压烧结

1．2．3 重结晶碳化硅

1．2．4 无压烧结

1．2．5 热等静压烧结

1．3 碳化硅陶瓷的胶态成型工艺

1．3．1 注浆成型技术

1．3．2 注射成型技术

1．3．3 直接凝固注模成型技术

1．3．4 凝胶注膜成型

1．4 高性能浆料的制备理论

1．5 注浆成型工艺国内外研究现状

1．6 研究意义、内容和目标

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究目标及内容

2 碳化硅高性能浆料的制备

2．1 试验方法

2．1．1 试验原料及设备

2．1．2 SiC预处理

2．1．3 SiC表面氧化及表面包覆处理

2．1．4 SiC高性能浆料的制备与各成份的优化配比设计

2．1．5 碳化硅／碳双组元浆料的制备

2．1．6 浆料性能测试

2．2 结果分析

2．2．1 pH对碳化硅浆料的影响及最佳pH值的确定

2．2．2 球磨对碳化硅粒径分布的影响以及对浆料粘度的影响

2．2．3 SiC粉体表面改性对浆料性质的影响

2．2．4 分散剂的种类及用量对SiC浆料粘度的影响

2．2．5 SiC浆料悬浮稳定性的影响因素

2．2．6 体积固含量与浆料粘度的关系

2．2．7 石油焦含量与浆料粘度之间的关系

2．2．8 分散剂对碳化硅／碳双组元浆料的影响

2．2．9 双组元浆料体积固含量与粘度之间的关系

2．3 小结

3 注浆成型制备SiC陶瓷生坯

3．1．1 试验模具

3．1．2 试验原料

3．1．3 碳化硅／碳双组元配比设计

3．2 成型工艺流程

3．2．1 浆料的制备

3．2．2 注浆成型

3．2．3 脱模

3．2．4 烘干

3．2．5 修坯

3．2．6 生坯完成

3．3 小结

4 熔渗反应烧结制备碳化硅陶瓷

4．1 反应熔渗烧结制备SiC陶瓷

4．1．1 熔渗反应烧结SiC陶瓷机理

4．1．2 Si的熔渗过程

4．2 性能测试与表征

4．3 微观分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 分散剂用量和体积固含量对生坯及烧结体性能的影响

4．4．2 石油焦含量对生坯及烧结体性能的影响

4．4．3 反应烧结SiC的显微结构

4．5 小结

5 结论

致谢

参考文献

作者攻读硕士期间发表论文