反应烧结碳化硅基复合材料的研究

摘要

反应烧结碳化硅既具有碳化硅陶瓷耐高温、耐磨损、抗氧化、抗热震以及高硬度、高热导率等优异性能，又具有烧结工艺简单、烧结时间短、净尺寸烧结等优点，这使得RBSC实现了大规模的工业应用，具有广阔的应用前景。但是由于反应烧结碳化硅中含有一定量的游离硅，限制了反应烧结碳化硅的使用温度，降低了硬度等力学性能。因此，本论文采用凝胶注模工艺制备反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料，以提高碳化硅陶瓷的性能，进一步扩大其应用范围。 本论文采用凝胶注模成型工艺制备反应烧结碳化硅基复合材料，研究了凝胶注模工艺参数对炭黑/碳化硅浆料及坯体性能的影响；具有不同粒径的碳化硅颗粒间的级配对反应烧结碳化硅坯体及烧结体性能的影响；以及碳化硼作为增强相对反应烧结碳化硼/碳化硅浆料、坯体及烧结体性能的影响。 目前，反应烧结碳化硅多采用注浆工艺成型，制备的坯体存在密度不均匀、易开裂等问题。本课题采用凝胶注模成型工艺，通过有机单体的聚合反应实现原位成型，采用净尺寸成型方法制备反应烧结碳化硅基复合材料坯体，成型的坯体具有结构均匀、致密度高、强度大等特点。通过对凝胶注模成型工艺参数的研究，制备出了固相含量高达60vol％、流变性能满足凝胶注模工艺要求的炭黑/碳化硅浆料，成型后的坯体结构均匀、致密度高，具有较高的机械强度，解决了采用其他成型方法制备的反应烧结碳化硅难于进行后续机械加工的问题。 为保证反应烧结的渗硅过程中硅与碳的充分反应，坯体需要具有适当的致密度，既能保证硅的渗入，又能保证坯体及烧结体具有满足应用要求的力学性能。因此，本实验通过调节不同粒径的碳化硅颗粒级配，制备具有一定致密度的坯体，研究原料颗粒级配对坯体密度及烧结体密度的影响。通过对原料颗粒级配的研究，确定了当细碳化硅粉（粒径为3μm）与粗碳化硅粉（粒径为20μm）质量比为3：1时，凝胶注模成型的坯体结构均匀、能够进行机械加工，具有足够的气孔率以保证反应烧结时液硅能够充分渗入坯体内部，与坯体内的碳反应生成碳化硅；同时，凝胶注模成型得到的坯体具有足够的致密度和强度，能够进行机械加工，得到的反应烧结碳化硅具有较高的致密度和力学性能，能够满足在应用中对碳化硅陶瓷力学性能的要求。 由于反应烧结碳化硅中存在一定量的游离硅，降低了碳化硅的硬度，因此本课题在反应烧结碳化硅中添加B4C颗粒来提高基体材料的硬度等力学性能。本课题以SiC、B4C粉末和碳黑为原料，采用凝胶注模工艺成型，制备反应烧结B4C/SiC复合材料。研究了B4C含量及粒度对浆料粘度的影响，以及SiC分散剂TMAH加入量对坯体表面质量的影响、缓聚剂乙酰丙酮加入量对单体聚合诱导期长短的影响。通过一系列的实验，确定了B4C/SiC陶瓷浆料的凝胶注模成型工艺的工艺参数，制备出了流动性良好、粘度较低的陶瓷浆料，成型后的复合材料坯体表面光滑、致密度较高。通过碳化硼的增韧作用，碳化硅复合材料的硬度、断裂韧性等力学性能有一定程度的提高，进一步扩大了碳化硅陶瓷的应用领域。 通过系统的研究，本实验制备出了流动性良好、满足凝胶注模工艺成型要求的炭黑/碳化硅以及炭黑/碳化硼/碳化硅浆料，并且通过添加碳化硼颗粒，较好的提高了反应烧结碳化硅基复合材料的硬度以及断裂韧性，在一定程度上扩大了碳化硅基复合材料的应用范围。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1研究背景

1.2碳化硅材料的性能及用途

1.3碳化硅烧结工艺及其特点

1.3.1热压烧结

1.3.2无压烧结

1.3.3等静压烧结

1.3.4反应烧结碳化硅(RBSC)工艺及其特点

1.4反应烧结碳化硅烧结机理研究进展

1.4.1扩散控制机理

1.4.2溶解-沉淀机理

1.4.3界面控制机理

1.5反应烧结碳化硅成型工艺简介

1.5.1注浆成型

1.5.2冷静压成型

1.5.3注射成型

1.5.4凝胶注模成型

1.6凝胶注模工艺在陶瓷材料制备中的应用研究

1.7反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料的研究进展

1.7.1碳化硼的性能及应用

1.7.2反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料的研究进展

1.8本课题研究的主要内容和意义

1.8.1研究的目的和意义

1.8.2研究的主要内容

第二章 实验内容与方法

2.1实验原料及设备

2.1.1实验原料

2.1.2实验设备

2.2实验过程

2.2.1凝胶注模成型过程

2.2.2烧结过程

2.2.3烧结体的后加工

2.3材料的基本性能测试

2.3.1相对密度测试

2.3.2弯曲强度测试

2.3.3断裂韧性测试

2.3.4显微硬度测试

2.4复合材料的组成及微观结构测试

第三章反应烧结碳化硅凝胶注模工艺的研究

3.1炭黑/碳化硅水基浆料性能的研究

3.1.1分散剂PVP对炭黑浆料粘度的影响

3.1.2分散剂TMAH对碳化硅浆料粘度的影响

3.1.3球磨时间对炭黑/碳化硅浆料粘度的影响

3.1.4 pH值对炭黑/碳化硅浆料性能的影响

3.1.5单体含量对炭黑/碳化硅浆料粘度的影响

3.1.6固相含量对炭黑/碳化硅浆料粘度的影响

3.2炭黑/碳化硅浆料脱气时间的研究

3.3炭黑/碳化硅浆料的固化时间的研究

3.3.1引发剂用量对固化时间的影响

3.3.2环境温度对固化时间的影响

3.4坯体干燥机制的研究

3.5本章小结

第四章反应烧结碳化硅结构及性能的研究

4.1研究方法

4.2颗粒级配对反应烧结碳化硅结构及性能的影响

4.2.1颗粒级配对反应烧结碳化硅相对密度的影响

4.2.2颗粒级配对反应烧结碳化硅力学性能的影响

4.2.3颗粒级配对反应烧结碳化硅微观结构的影响

4.3固相含量对反应烧结碳化硅结构及性能的影响

4.3.1固相含量对反应烧结碳化硅相对密度的影响

4.3.2固相含量对反应烧结碳化硅力学性能的影响

4.3.3固相含量对反应烧结碳化硅微观结构的影响

4.4反应烧结碳化硅的组成研究

4.5反应烧结碳化硅的微观结构研究

4.6本章小结

第五章反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料的研究

5.1研究方法

5.2反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料凝胶注模成型工艺的研究

5.2.1碳化硼含量及粒度对浆料粘度的影响

5.2.2碳化硅分散剂加入量对坯体表面气孔率的影响

5.2.3缓凝剂加入量对单体聚合诱导期的影响

5.3反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料烧结体的性能研究

5.3.1碳化硼含量对密度的影响

5.3.2碳化硼含量对烧成线收缩率的影响

5.3.3碳化硼含量对弯曲强度的影响

5.3.4碳化硼含量对断裂韧性的影响

5.3.5碳化硼含量对硬度的影响

5.4反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料的组成分析

5.5反应烧结碳化硼/碳化硅复合材料的微观结构分析

5.6本章结论

第六章结论

参考文献

致 谢

附录：攻读硕士期间发表的论文和取得的成果