解玉鵬,王顯德,趙國(guó)明

(吉林化工學(xué)院,吉林吉林 132022)

SiC顆粒含量和粒徑對(duì)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷致密度的影響

解玉鵬?,王顯德,趙國(guó)明

(吉林化工學(xué)院,吉林吉林 132022)

將碳化硅(SiC)顆粒加入到晶須漿料中,能夠有效提高固相含量,提高層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的致密度。通過(guò)研究SiC顆粒含量和粒徑對(duì)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷致密度的影響,分析其作用機(jī)理。結(jié)果表明:當(dāng)SiC顆粒粒徑為0.5μm時(shí),致密度隨顆粒比例增加而提高,晶須與顆粒的比例為3 1時(shí)達(dá)到最大值,為2.367 g·cm-3。當(dāng)SiC顆粒粒徑由0.5μm增加到40μm時(shí),層狀陶瓷的致密度逐漸增加。

SiC;含量;粒徑;層狀結(jié)構(gòu)陶瓷;致密度

碳化硅(SiC)陶瓷由于其高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的性能而具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。但SiC陶瓷固有的脆性導(dǎo)致其制品可靠性差,嚴(yán)重制約其作為結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和應(yīng)用[4-7]。SiC陶瓷材料的強(qiáng)韌化一直是近年來(lái)陶瓷材料研究的核心問(wèn)題之一。受珍珠結(jié)構(gòu)啟發(fā),材料科學(xué)工作者制備的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性,是很有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)陶瓷材料之一[8,9]。

采用等溫化學(xué)氣相滲透(Isothermal Chemical Vapor Infiltration,ICVI)結(jié)合流延法(Tape Casting, TC)制備SiC晶須(SiCw)/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷,能夠有效減少制備過(guò)程中高溫對(duì)增強(qiáng)體的損傷,并且大幅度提高增強(qiáng)體的含量[10]。但由于晶須薄膜預(yù)制體中晶須間搭接孔洞較大,后續(xù)的CVI工藝無(wú)法將所有大孔洞填充滿,因此材料的性能受到嚴(yán)重制約。眾所周知,顆粒粒徑尺寸較小且形狀規(guī)則,可有效填充尺寸合適的孔洞[11-14]。因此,將SiC顆粒引入到預(yù)制體中,改善層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的致密度,以期提高材料的性能。

文章中主要研究顆粒含量和粒徑等對(duì)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷致密度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 原料

文章中所用SiCw為美國(guó)Alfa Aesar公司生產(chǎn),平均直徑為1.5μm,平均長(zhǎng)度為18μm。無(wú)水乙醇和甲乙酮為溶劑,磷酸三乙酯為分散劑(TEP),聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為粘結(jié)劑,丙三醇和鄰苯二甲基二辛酯為增塑劑,正丁醇和乙二醇為除泡劑。

為了方便的研究顆粒對(duì)此種層狀陶瓷的影響,選取晶須和顆粒粉體的總體積分?jǐn)?shù)為30%。為了探索比較合適的配比,首先以粒徑為0.5μm的SiC顆粒為代表,選擇SiCw SiCp=7 1,5 1,3 1和2 1這4種比例進(jìn)行研究。然后確定合適的配比,進(jìn)而研究不同粒徑的SiC顆粒(0.5 μm,1.5μm,10μm,40μm)對(duì)層狀陶瓷致密度的影響。

1.2 性能測(cè)試

采用阿基米德排水法測(cè)試試樣的體積密度和開(kāi)氣孔率。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiCw和SiCp配比對(duì)致密性的影響

選取顆粒粒徑為0.5μm的SiC顆粒與晶須共同作為增強(qiáng)體,共選擇了5種,配比依次為純晶須(pure),7 1,5 1,3 1和2 1(SiCw SiCp),制備層狀陶瓷,其密度和開(kāi)氣孔率隨增強(qiáng)體的變化如圖1所示。由圖可知,顆粒的引入能夠有效提高層狀陶瓷的密度,降低開(kāi)氣孔率。如圖中曲線所示,材料的密度隨著顆粒含量的增加而呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),材料的開(kāi)氣孔率呈現(xiàn)與之相反的規(guī)律。與純晶須增強(qiáng)層狀陶瓷相比,晶須與顆粒的配比分別為7 1,5 1,3 1和2 1時(shí)的密度分別增加了1.6%,2.5%,3.4%和2.7%。當(dāng)晶須與顆粒配比為3 1時(shí)層狀陶瓷的密度最大,為2.367 g·cm-3。

圖1 增強(qiáng)體比例與致密度的關(guān)系

晶須由于長(zhǎng)徑比的存在,晶須之間相互搭接容易產(chǎn)生大小不一的孔隙,不利于材料的致密化。少量的0.5μm粒徑顆粒的引入能夠在有效填充晶須間的小孔隙的同時(shí)與其中的晶須相配合來(lái)致密化材料,因此增強(qiáng)體配比在7 1和3 1之間時(shí),材料的密度呈增加趨勢(shì)。當(dāng)增強(qiáng)體配比為2 1時(shí),顆粒含量增多,晶須含量有所減少,一方面顆粒填充小孔隙以提高密度,另一方面其與晶須配合不足引起密度的相對(duì)降低,因此此種配比下材料的密度低于增強(qiáng)體配比為3 1時(shí)材料的密度。從致密性的角度講,后續(xù)工作重點(diǎn)集中在增強(qiáng)體配比為3 1時(shí)材料的結(jié)構(gòu)與性能。

2.2 SiC顆粒粒徑對(duì)致密性的影響

固定SiCw SiCp=3 1,選擇4種(0.5 μm,1.5μm,10μm和40μm)不同粒徑大小的SiC顆粒與晶須混合為增強(qiáng)體制備層狀陶瓷。其密度和開(kāi)氣孔率隨顆粒粒徑的變化如圖2所示,其中,pure代表沒(méi)有加顆粒的純晶須增強(qiáng)體。由圖可知,不同粒徑顆粒的引入均能夠有效提高層狀陶瓷的密度,降低開(kāi)氣孔率。如圖中曲線所示,材料的密度隨著顆粒粒徑的增加而增加,同時(shí)開(kāi)氣孔率呈現(xiàn)與之相反的規(guī)律。與純晶須增強(qiáng)體的層狀陶瓷相比,顆粒粒徑分別為0.5μm、1.5μm、10μm和40μm時(shí)層狀陶瓷的密度分別增加了3.4%、4.2%、7.0%和7.7%,且當(dāng)顆粒粒徑大于10μm時(shí),材料的密度有一個(gè)大幅度的提升。

圖2 顆粒粒徑與致密度的關(guān)系

當(dāng)顆粒粒徑為0.5μm和1.5μm時(shí),晶須之間存在的小孔隙容易被顆粒填充,且粒徑相對(duì)較大的顆粒更容易將孔隙填充至較致密的狀態(tài),因此顆粒粒徑為1.5μm的層狀陶瓷的密度相對(duì)較大,開(kāi)氣孔率相對(duì)較低。當(dāng)顆粒粒徑為10μm和40μm時(shí),晶須之間存在的大孔隙容易被顆粒填充,且會(huì)將小孔隙封閉為閉氣孔。同時(shí)由于這兩種大粒徑顆粒的存在,材料的密度有較大幅度的提升,它們的開(kāi)氣孔率與另兩種小粒徑顆粒相比有所降低。因此,顆粒的粒徑越大,越有利于提高材料的致密度,降低材料的開(kāi)氣孔率。

3 結(jié) 論

文章中主要討論顆粒含量和粒徑對(duì)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷致密度的影響,主要結(jié)論如下:

(1)致密度隨增強(qiáng)體比例的變化而變化。與純晶須增強(qiáng)體的層狀陶瓷相比,晶須與顆粒的比例分別為7 1,5 1,3 1和2 1時(shí)的密度分別增加了1.6%,2.5%,3.4%和2.7%。當(dāng)晶須與顆粒的比例為3 1時(shí),層狀陶瓷的密度最大。

(2)致密度隨顆粒粒徑的增加而增加。與純晶須增強(qiáng)體的層狀陶瓷相比,顆粒粒徑分別為0.5μm,1.5μm,10μm和40μm時(shí)的密度分別增加了3.4%,4.2%,7.0%和7.7%,且當(dāng)顆粒粒徑大于10μm時(shí),材料的密度有一個(gè)大幅度的提升。

[1] Hisaichi O,Shoju M,Masakazu O.Potential Application of Ceramic Matrix Composites to Aero-engine Components[J].Composites:Part A.1999,30 (4):489-496.

[2] Leuehs M.Application of Non-oxide CMCs[M].Munich:Wiley-VCH.2001:288-298.

[3] Christin F.Design,Fabrication and Application of Thermostructural Composites(TSC)Like C/C,C/Si and SiC/SiC Composites[J].Advanced Engineering Materials.2002,4(12):903-912.

[4] Lanzone S.Multilayer Ceramics[J].Electronic Packaging and Production.1996,36(10):4.

[5] Meecholsky J J.Engineering Research Needs of Advanced Ceramics and Ceramic Matrix Composites[J]. Journal of the American Ceramic Society.1989,68 (2):367-375.

[6] Levine SR.Flight-vehicle Materials,Structure and Dynamics Assessment and Future Direction Ceramicmatrix Composites[J].The American Society of Mechanical Engineers.1992(18):113-139.

[7] Jha A,Moore M D.A Study of the Interface between Silicon Carbide Fiber and Glass Ceramic Matrix[J]. Glass Technology.1992,33(1):1-5.

[8] Chartier C,Merle D,Besson J L.Laminar Ceramic Composites[J].Journal of the European Ceramic Society.1995,15(2):101-107.

[9] Bond G M,Richman R H,McNaughton W P.Mimicry of NaturalMaterial Designs and Processes[J].Journal of Materials Engineering and Performance.1995,4 (3):334-345.

[10]Xie Y P,Cheng L F,Li L J,et al.Fabrication of Laminated SiCw/SiC Ceramic Composites by CVI[J]. Journal of European Ceramic Society.2013,33(10): 1701-1706.

[11]李紹純,戴長(zhǎng)虹.碳化硅顆粒、晶須、晶片增韌陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].硅酸鹽通報(bào),2004(6): 63-65.

[12]張國(guó)軍,金宗哲.顆粒增韌陶瓷的增韌機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1994,22(3):259-269.

[13]Nagaoka T,Yasuoka M,Hirao K,et al.Effect of TiN Particle Size on Mechanical Properties of Si3N4/TiN Particulate Composites[J].Journal of the Ceramic Society of Japan.1992,100(4):617-620.

[14]解玉鵬,丁力,王顯德,等.層狀結(jié)果陶瓷制備工藝與增韌機(jī)理的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014(6): 6-9.

Effects of SiC Particle Content and Size on Density of Lam inated Structural Ceram ics

XIE Yu-peng,WANG Xian-de,ZHAO Guo-ming
(Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin 132022)

Solid phase content and density of laminated structural ceramics can be increased by introducing SiC particles into whisker slurry.Effects of SiC particle content and size on density of laminated structural ceramicswere investigated,and the mechanisms were studied.The results showed that the density of laminated ceramics increased with increasing particle content,as the size of SiC particles remained to 0.5μm.When the ratio of reinforcementswas changed to SiCw SiCp=3 1,the highest density obtained with 2.367 g·cm-3. When the size of SiC particles changed from 0.5μm to 40μm,the density of laminated ceramics increased gradually.

SiC;content;particle size;laminated structural ceramic;density

TG 174.44

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.001

1007-2934(2015)06-0001-03

2015-08-03

吉林省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(2015437);吉林化工學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(2015053);吉林化工學(xué)院校級(jí)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(2015129)

?通訊聯(lián)系人