【摘 要】
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论文以碳化硅陶瓷粉末三维喷印成形工艺、酚醛树脂浸渗增碳工艺以及液态硅熔渗反应烧结工艺路线研究制备碳化硅陶瓷,选题具有科学及工程实际意义。.碳化硅(SiC)陶瓷具有良好的热稳定性和较低的热膨胀系数,是航天领域光学器件的重要材料,然而传统加工方法难以成形复杂的SiC陶瓷零件。目前,激光选区烧结、光固化及浆料直写技术被用来制造复杂SiC陶瓷零件,但存在成形速度慢、材料制备难等问题。三维喷印(Three
【基金项目】
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国家重点研发计划(编号:2018YFB1105301); 华中科技大学学术前沿青年团队项目
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论文以碳化硅陶瓷粉末三维喷印成形工艺、酚醛树脂浸渗增碳工艺以及液态硅熔渗反应烧结工艺路线研究制备碳化硅陶瓷,选题具有科学及工程实际意义。.碳化硅(SiC)陶瓷具有良好的热稳定性和较低的热膨胀系数,是航天领域光学器件的重要材料,然而传统加工方法难以成形复杂的SiC陶瓷零件。目前,激光选区烧结、光固化及浆料直写技术被用来制造复杂SiC陶瓷零件,但存在成形速度慢、材料制备难等问题。三维喷印(Three Dimensional Printing,3DP)技术是一种采用阵列式喷头逐层喷射微液滴粘结剂成形三维零件的增材制造技术,可高效地制造复杂的SiC零件。现有研究较少关注3DP工艺参数对SiC初坯性能影响以及增碳工艺和后烧结工艺对SiC陶瓷性能影响。为此,本文系统研究3DP工艺参数对SiC初坯致密度、尺寸精度及力学性能的影响,增碳工艺对增碳后预制体的碳密度、孔隙率及微观结构的影响,反应烧结SiC陶瓷的力学性能和微观组织。主要工作如下:(1)研究了层厚、喷液量对初坯成形质量的影响。结果表明,0.1 mm层厚时成形的SiC初坯密度最高,达到1.55 g/cm~3;密度随层厚的增大而降低,当层厚增大到0.3 mm时密度降低到1.29 g/cm~3。当SiC初坯中的粘结剂饱和度在16~20%之间时,SiC初坯在各方向上的尺寸偏差相当,在1.23~1.57 mm之间。当层厚为0.15 mm时初坯的压缩强度最高,达到7.7 MPa。另外,当层厚为0.1mm时,喷射粘结剂的区域产生长条裂纹,增加层厚可以减轻或者消除裂纹。(2)研究了增碳工艺对SiC预制体碳密度及孔隙率的影响。采用溶质(酚醛树脂)浓度为120 g的1号增碳溶液浸渗初坯时,在-90 k Pa条件下浸渗10 min可使SiC初坯完全浸渗。SiC预制体中的残余碳主要在较小的孔隙间以块状存在,少部分以薄膜的形式覆盖在SiC颗粒上。当层厚为0.10~0.30 mm时SiC初坯采用1号的增碳溶液浸渗两次后,其碳密度达0.80~0.85 g/cm~3,其孔隙率为25.21~31.00%,小于理想孔隙率(31.4%)。(3)研究了预制体孔隙率对后烧结SiC陶瓷性能的影响。随着增碳溶液中溶质浓度的增加,SiC预制体烧结孔隙率从50.25%逐渐降低至46.21%,碳密度从0.53 g/cm~3增加到的0.59 g/cm~3;当孔隙率为47.24%时,反应烧结的SiC陶瓷中出现了未反应的残余碳;SiC陶瓷的弯曲强度随溶质浓度的增加呈现先增加后降低的趋势,从121.5 MPa升至191.6 MPa再降低到36.1 MPa。成形的SiC陶瓷属于脆性断裂,表现为穿晶断裂及沿晶断裂。
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