红柱石改性碳化硅复合陶瓷制备工艺的研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Yxiaowanzi
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碳化硅陶瓷材料因其具有硬度高、耐磨性好、耐化学腐蚀性强、热膨胀系数小、抗热震性能优异等特性,而被广泛应用于机械密封、冶金化工、高温烟气除尘过滤、半导体、防弹装甲、航空航天等领域。但由于碳化硅的强共价键特性以及烧结时扩散速率较低,导致其在低温下难以烧结。因此,本文通过引入红柱石,依靠红柱石高温转变的莫来石和富硅液相作为碳化硅颗粒之间的结合相,进而促进碳化硅陶瓷颗粒的烧结,实现工艺优化,降低生产成本,响应国家节能减排的号召。本课题采用模压成型制备碳化硅陶瓷素坯,然后在常压下烧结碳化硅复合陶瓷。主要研究了矿化剂种类、红柱石加入量、不同制备工艺参数以及石墨造孔剂含量对碳化硅陶瓷试样物理性能、常温和高温力学性能、物相组成以及微观结构的影响。主要研究结果如下:(1)探究5wt%MgO、5wt%TiO2和2.5wt%MgO+2.5wt%TiO2这三种矿化剂对碳化硅陶瓷试样性能的影响,从中发现,单一矿化剂和二元矿化剂都使得碳化硅陶瓷试样的显气孔率下降,体积密度上升、抗折强度呈先增后减的趋势,抗热震性能也得到改善。但是对比发现,单一矿化剂的加入使得试样的抗热震次数增长较少,仅增长了8次,采用2.5wt%MgO+2.5wt%TiO2二元矿化剂使得试样的体积密度呈阶梯式上升,能够承受的抗热震次数增幅也比较大,增长了18次。综合考虑,确定采用2.5wt%MgO+2.5wt%TiO2作为烧结碳化硅复合陶瓷的最佳矿化剂。(2)探究红柱石的加入量对碳化硅陶瓷试样性能的影响,发现随着红柱石含量的增加,试样的显气孔率持续降低,体积密度呈波浪式上升,抗折强度和抗热震性都是先上升后下降。加入红柱石含量较少时,试样孔隙率较大,抗折强度较低;加入红柱石含量较多时,莫来石化产生的玻璃相也就相对较多,进而会带来较大的体积膨胀。故在红柱石含量为15wt%时,试样的综合性能最佳,显气孔率为39.45%,体积密度为2.267g/cm~3,抗折强度为43.01 MPa,抗热震性能达到47次。(3)研究不同素坯成型压力(80MPa、100MPa、120MPa、140MPa)、不同烧结温度(1400℃、1450℃、1500℃、1550℃)、不同保温时间(1h、2h、3h、4h)对碳化硅陶瓷材料性能的影响,发现随着素坯成型压力的增大、烧结温度的升高、保温时间的延长都有助于碳化硅陶瓷颗粒的烧结,使得样品的气孔率下降,体积密度提高。但其中素坯成型压力不宜过大,素坯成型压力过大不利于烧结过程中气体排出,从而出现试样的气孔率回升现象。最终得到最佳的工艺参数为素坯成型压力120MPa、烧结温度1550℃、保温时间4h。(4)研究石墨的加入量对碳化硅陶瓷性能的影响,发现随着石墨量的不断增多,生成的气孔量也随之增多,并且气孔与气孔之间相互贯通形成大孔洞,使得试样的显气孔率提升到46.32%,而体积密度减小为2.154 g/cm~3,抗折强度降低到23.21MPa。在石墨含量为6wt%时,抗热冲击次数略微提高到20次。
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