碳化硅基陶瓷密封材料的制备技术

摘要

随着工况条件的更为苛刻，工业设备对机械密封的要求更加严格。碳化硅陶瓷性能优越，已经成为基本机械密封材料。目前，碳化硅陶瓷密封材料制备中存在粉体颗粒度大、团聚严重、粒度分布宽、杂质含量高，粉体流动性及成型性能差，陶瓷材料的烧结性能及力学性能较差，较大尺寸陶瓷密封件制备困难等问题。为此，有必要对碳化硅原料进行细化、提纯、表面改性等综合处理提高粉体质量；采用新的添加剂引入方式制备碳化硅复合粉体，改善陶瓷烧结性能和组织结构，提高碳化硅复合陶瓷密封材料的综合性能；优化原料配方、成型及烧结工艺，制备得到较大尺寸的碳化硅陶瓷密封环制品。主要研究内容及成果如下：采用流化床对撞式气流粉碎超微化处理SiC粉体，分级轮频率愈高，工作压力愈大，超微化处理效果愈明显。适宜的工艺参数为研磨压力0.7MPa，分级轮频率40Hz，1次研磨；在此条件下碳化硅粉体取得较好的超微化效果，提高了素坯特性及均匀性，降低了坯体烧结温度，改善了碳化硅陶瓷的性能及组织结构。采用混合酸洗进行碳化硅粉体的酸洗提纯处理，适宜的酸洗提纯工艺条件为：超微化碳化硅粉体，酸洗液组成(HF:HNO3)1：1，酸洗液浓度0.1mol/L，酸洗时间2h。在此条件下，碳化硅粉体中SiC含量达98.8％，游离Si由0.25％降至0.017％，游离C由1.10％降至0.05％，游离SiO2由0.17％降至0.027％，Fe2O3由0.14％降至0.007％，粉体获得较为理想的除杂提纯效果。 利用空间位阻机制，在碳化硅粉体浆料中加入表面活性剂PEG(或PEI)进行表面改性。对于表面活性剂为PEG时，加入量为1wt％，液体介质为乙醇时，改性粉体获得较好的流动特性；而对于PEI来说，添加3wt％PEI，pH为6.5时，改性粉体获得很好的流动特性，并获得较大的饱和吸附量0.435wt％。调节PEG(或PEI)的pH值，改变PEG(或PEI)的加入量，增加了颗粒之间的静电排斥能，提高了SiC颗粒分散性和流动性。 采用离心式喷雾造粒设备进行碳化硅粉体的喷雾造粒，有效改善了碳化硅粉料的流动性。同未经喷雾造粒的粉料相比，喷雾造粒后碳化硅粒料的松装密度提高了30％～50％，休止角降低了10°～15°。当固相含量、粘合剂含量和出口热风温度分别为70％、0.5％和90℃时，碳化硅素坯的密度最高，断面更为均匀，碳化硅陶瓷的烧结、力学性能及显微结构都有所提高和改善。但由于烧结温度过高的原因，喷雾造粒在改善材料性能方面的效果并不十分显著。 采用无机盐前驱体溶胶-凝胶法在SiC粉体中引入烧结助剂YAG，YAG凝胶呈网状结构，SiC颗粒嵌入在凝胶网络中，并在SiC颗粒表面形成一层包裹膜；YAG的形成过程为为Y2O3+Al2O3→YAM→YAP→YAG，干凝胶在920℃左右已完全转变成YAG相，Y与Al的原子比约为3：5，最终获得YAG粒径小、均匀分散的SiC/YAG复合粉体。 采用真空无压烧结进行碳化硅复合粉体的烧结致密化。在1950℃下的液相烧结中，机械共混法制备的碳化硅复合陶瓷材料可以获得较高的烧结性能、力学性能及晶粒尺寸细小、相分布均匀较理想的显微结构，说明机械共混法制备碳化硅复合粉体适宜的烧结温度为1950℃；而此温度下溶胶-凝胶法制备的碳化硅材料明显存在过烧现象，故有必要降低其烧结温度。通过适当降低烧结温度，延长烧结时间，制备出性能更为优越、组织结构更为致密的不同直径(Φ30～Φ400mm)碳化硅陶瓷密封环。在碳化硅复合粉体的液相烧结中，超微化处理SiC粉体有助于促进烧结初期的致密化；YAG液相的提前形成及均匀分布促进了快速致密化。组织致密与晶粒细小、裂纹偏转与沿晶断裂、YAG晶粒桥联是碳化硅复合陶瓷增韧的三个主要特征。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章机械密封材料及碳化硅基陶瓷的研究现状

2.1机械密封材料概述

2.2碳化硅粉体的制备及改性技术

2.2.1碳化硅的晶体结构与基本特性

2.2.2碳化硅粉体的制备技术

2.2.3碳化硅粉体的改性技术

2.3碳化硅基陶瓷的烧结致密技术

2.4碳化硅基复合陶瓷

2.5立题依据

2.6研究内容及目的意义

第三章碳化硅粉体的超微化处理

3.1引言

3.2试验部分

3.2.1原料及设备

3.2.2试验过程

3.2.3测试与表征

3.3试验结果及分析

3.3.1气流粉碎装置的影响

3.3.2工艺参数的影响

3.3.3超微化对成型及烧结性能的影响

3.4碳化硅固相烧结及超微化影响机理

3.5本章小结

第四章碳化硅粉体的提纯除杂技术

4.1引言

4.2试验部分

4.2.1原料条件

4.2.2试验过程

4.2.3测试与表征

4.3试验结果及分析

4.3.1原料细化的影响

4.3.2酸洗提纯工艺参数的影响

4.3.3能谱分析

4.4本章小结

第五章碳化硅粉体的表面改性

5.1 引言

5.2试验部分

5.2.1原料条件

5.2.2试验过程

5.2.3测试与表征

5.3试验结果及分析

5.3.1 SiC浆料的流变特性及沉降行为

5.3.2粉体的流动特性

5.3.3粉体表面的吸附

5.3.4粉体的红外光谱分析

5.3.5粉体的表面形貌

5.4本章小结

第六章碳化硅粉体的喷雾造粒

6.1引言

6.2试验部分

6.2.1原料条件

6.2.2试验过程

6.2.3测试及表征

6.3试验结果及分析

6.3.1碳化硅粉粒的物化特性

6.3.2表面形貌

6.3.3差热分析

6.3.4喷雾造粒对成型及烧结性能的影响

6.4本章小结

第七章湿化学法引入添加剂制备碳化硅复合粉体

7.1 引言

7.2试验部分

7.2.1试验方案

7.2.2原料条件

7.2.3试验过程

7.2.4测试及表征

7.3试验结果及分析

7.3.1溶胶-凝胶法制备YAG单相粉体

7.3.2溶胶-凝胶法制备SiC/YAG复合粉体

7.4本章小结

第八章碳化硅基复合粉体的烧结、性能及结构

8.1 引言

8.2试验内容

8.2.1原料条件

8.2.2试验过程

8.2.3性能测试及结构表征

8.3试验结果及分析

8.3.1烧结性能

8.3.2 XRD分析

8.3.3力学性能

8.3.4显微结构

8.3.5碳化硅基陶瓷密封材料制品

8.4碳化硅复合粉体的液相烧结及增韧机理

8.4.1碳化硅/YAG复合粉体的液相烧结特点

8.4.2碳化硅复合粉体的液相烧结机理

8.4.3 SiC/YAG复合陶瓷的增韧机制

8.5本章小结

第九章全文总结

参考文献

致谢

博士期间发表的学术论文清单

博士后期间发表的学术论文清单

个人简历

聚乙烯亚胺表面改性SiC粉体的流动特性

磷酸盐直接共沉淀法制备K0.6Sr0.7Zr4O24纳米粉末

Investigation of compaction and sintering behavior of SiC powder after ultra-fine treatment