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(1.中原工學(xué)院，鄭州 450007；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450015；3.鄭州華碩精密陶瓷有限公司，鄭州 450001)

碳化硅陶瓷材料因具有密度小、彈性模量大、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震和氧化性能良好，以及高溫強(qiáng)度適中、耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛的研究和應(yīng)用[1-2].其應(yīng)用領(lǐng)域包括：①可用于高溫結(jié)構(gòu)材料，如發(fā)動(dòng)機(jī)部件及氣輪機(jī)葉片、窯爐滾杠、耐火材料等；②由于它的高彈性模量和低密度決定了它有很高的比剛度，可用于航空和航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料；③由于它的熱膨脹系數(shù)可以與Si、GaAs相匹配，且有半導(dǎo)體特性，因此可用作電子封裝材料和制作電子元件；④由于碳和硅具有較低的原子序數(shù)，碳化硅陶瓷還可用作原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料.

對(duì)于碳化硅，目前已開(kāi)發(fā)出來(lái)的成型技術(shù)有：模壓成型、等靜壓成型、擠壓成型、注射成型和流延成型[3].其中，擠壓成型因使用的粉料尺寸范圍寬而備受關(guān)注.國(guó)外一些大公司已成熟應(yīng)用高效連續(xù)擠壓技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，然而目前國(guó)內(nèi)該技術(shù)尚未穩(wěn)定和成熟.隨著我國(guó)各相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步開(kāi)放，加快開(kāi)發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅產(chǎn)品制備技術(shù)和提高我國(guó)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力是當(dāng)務(wù)之急.

目前，碳化硅由于成本問(wèn)題使其應(yīng)用受到很大的限制.降低陶瓷材料成本的研究開(kāi)發(fā)將是21世紀(jì)陶瓷材料領(lǐng)域面臨的最艱巨的任務(wù).其中，連續(xù)化、自動(dòng)化高的擠壓成型工藝將是解決這一問(wèn)題的有力手段之一.

擠出料的塑性決定了工藝的可靠性和燒結(jié)制品的品質(zhì).本文以聚乙烯醇為塑性劑對(duì)擠壓碳化硅坯料的一些性能進(jìn)行了研究，并測(cè)試了烘干泥料的氣孔率和密度等參數(shù)，從而為碳化硅擠壓成型工藝的控制提供技術(shù)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用的碳化硅粉平均粒度為21.380 μm，其粒度分布見(jiàn)圖1.塑性劑為聚乙烯醇(S)，和水混合在一起，水用W表示.聚乙烯醇(S)所占重量比例分別為3%、5%、10%，水(W)所占重量比分別為30%、25%、25%，陳腐時(shí)間分別為24 h、48 h、72 h.

實(shí)驗(yàn)流程如下：

稱(chēng)量SiC粉→加入塑性劑和水的混合物→和泥→陳腐→測(cè)塑性→擠壓成型→烘干→測(cè)量樣品干重→將樣品放入沸水中煮1 h→測(cè)量其濕重和水重→算出密度和氣孔率.

利用MS-2000E激光粒度分析儀進(jìn)行原料粒度分析；利用ACS-15 A型電子秤進(jìn)行物料稱(chēng)重；利用自制針管式裝置進(jìn)行擠壓成型(擠壓壓力約3～5 MPa)；利用WX-Ⅱ光電液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行泥料塑性測(cè)試，同時(shí)利用模擬金屬拉伸試驗(yàn)的方法進(jìn)行泥坯料的拉伸，并計(jì)算相對(duì)伸長(zhǎng)率以驗(yàn)證其塑性.泥料成型之后放在烘干設(shè)備中在110℃下進(jìn)行8 h的烘干，為之后測(cè)定氣孔率和密度做準(zhǔn)備.利用水煮法進(jìn)行密度和氣孔率測(cè)試，并用托盤(pán)天平進(jìn)行稱(chēng)重.

圖1 實(shí)驗(yàn)用SiC粉的粒度分布圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將陳腐[4]時(shí)間相同、聚乙烯醇和水不同配比下獲得的樣品，進(jìn)行塑限和伸長(zhǎng)率測(cè)試，將結(jié)果繪制在同一張圖中，選擇陳腐時(shí)間分別為24 h、48 h、72 h，如圖2—圖4所示.將塑限和伸長(zhǎng)率較佳的試樣進(jìn)行對(duì)比，列于圖5中，選出塑限和伸長(zhǎng)率最佳時(shí)的參數(shù)為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時(shí)間24 h.

將SiC泥料在塑性劑聚乙烯醇(S)作用下，不同陳腐時(shí)間的樣品的氣孔率和密度做對(duì)比，從3個(gè)陳腐時(shí)間中選出較好的配方，如圖6—圖8所示.將圖中的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行對(duì)比，分別得到氣孔率最低且密度最高的塑性劑配方，如圖9所示.從中選出最佳配方為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時(shí)間24 h.再將圖4和圖8進(jìn)行對(duì)比，兩者的最佳配方是一致的.

圖2 泥料陳腐24 h時(shí)塑限、伸長(zhǎng)率對(duì)比圖

圖3 泥料陳腐48 h時(shí)塑限、伸長(zhǎng)率對(duì)比圖

圖4 泥料陳腐72 h時(shí)塑限、伸長(zhǎng)率對(duì)比圖

圖5 塑限、伸長(zhǎng)率對(duì)比圖

圖6 泥料陳腐24 h時(shí)氣孔率和密度對(duì)比圖

圖7 泥料陳腐48 h時(shí)氣孔率和密度對(duì)比圖

圖8 泥料陳腐72 h時(shí)氣孔率和密度對(duì)比圖

圖9 氣孔率和密度對(duì)比圖

3 結(jié) 語(yǔ)

以聚乙烯醇(S)為塑性劑，探討了使SiC泥料獲得最佳伸長(zhǎng)率和塑性指標(biāo)的塑性劑的最佳組成為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時(shí)間24 h.實(shí)驗(yàn)表明，伸長(zhǎng)率和塑限指標(biāo)的變化規(guī)律相同.此外，在該最佳塑性劑配方下，所得泥料的氣孔率最低，而生坯密度最高.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李媛, 高積強(qiáng). 陶瓷材料擠出成型工藝與理論研究進(jìn)展[J]. 耐火材料,2004,38(4)：277-280.

[2] 郭曉明,閆永杰,陳健,等.擠出成型碳化硅陶瓷的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2009,24(6):1155-1158.

[3] 吉曉莉.擠出成型制備重結(jié)晶碳化硅熱端材料的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[4] 李世斌. 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅擠壓成型、工藝及性能的研究[D].西安: 西安交通大學(xué)，2003.