再结晶碳化硅陶瓷抗氧化及抗热震性能研究

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再结晶碳化硅(Recrystallized Silicon Carbide, R-SiC)陶瓷具有独特的耐高温,耐腐蚀,抗氧化,导热快,强度高,蓄热小,寿命长及低热膨胀系数等优势而被广泛应用于航空航天,冶金,电子信息、化工、能源、环保等多个领域。然而在恶劣的高温及热冲击条件下使用使得其性能降低,寿命变短。因此,本文旨在研究R-SiC陶瓷的高温氧化行为及热震行为,为设计高性能、长寿命R-SiC陶瓷提供理论基础。首先,采用山东昌乐鑫源碳化硅微粉有限公司生产的SiC原料,成功制备了性能优异的R-SiC陶瓷制品。研究了原料颗粒级配、成型压力、成型助剂、成型水分及烧成温度对R-SiC陶瓷力学性能及显微结构的影响。当GC100:GC07=65:35,成型压力为100 MPa,成型水分为6wt%, CMC含量为2 wt%,烧成温度为2400℃时,制得的R-SiC体积密度最大为2.54 g/cm3,且抗弯强度最大为64 MPa。接着系统研究了R-SiC陶瓷在不同温度下的氧化行为,并研究了其在1500℃下氧化后断裂强度与氧化时间的关系,通过热重(TG)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段分析了氧化机理、氧化动力学及氧化对断裂强度的影响。结果表明:R-SiC在1250-1350℃的氧化动力学曲线呈典型的抛物线形状,其氧化机理为O2在表面Si02层中的扩散控制及界面氧化共同作用;R-SiC在1500℃高温氧化后,抗弯强度随氧化时间的增加呈先增后降的趋势,当氧化时间为21 h时,抗弯强度最大为87MPa; R-SiC在氧化初期形成的致密非晶氧化膜对试样表面的缺陷和划痕起到了钝化作用,导致材料室温断裂强度升高;氧化后期由于非晶氧化膜晶化生成方石英,而循环氧化时方石英在冷却过程中发生相变,产生体积收缩,使得氧化膜产生过大拉应力而开裂,从而降低R-SiC陶瓷的断裂强度。最后研究了SiC原料粒径尺寸、试样厚度对R-SiC陶瓷抗热震性能的影响。当试样含有50 wt%的60#SiC时,其临界热震温差最大为395℃,表现出很好的抗热震性,由于粗粒径SiC的加入产生大量微裂纹,迅速吸收存储在材料中的弹性应变能,从而提高材料的抗热震损伤性能;随着试样厚度的增加,R-SiC陶瓷抗热震性能降低。
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