鹿桂花 周恒為 李志鵬 朱強(qiáng)
摘 要:本文采用無(wú)壓液相燒結(jié)工藝,以Al2O3-MgO-Y2O3體系為燒結(jié)助劑,燒結(jié)溫度為1900℃,保溫時(shí)間分別為1h,1.5 h和2h,制備SiC復(fù)合陶瓷,利用XRD和SEM方法研究了SiC陶瓷的物相組成和顯微組織形貌。結(jié)果表明:保溫2h時(shí),SiC陶瓷主晶相為6H-SiC,且是單相SiC;陶瓷體表面光滑,致密性良好,密度為2.959 g/cm3,所以2h為最佳保溫時(shí)間。
關(guān)鍵詞:碳化硅陶瓷;保溫時(shí)間;無(wú)壓液相燒結(jié);物相組成;顯微組織形貌
碳化硅因具有高硬度、耐磨損、高強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率及抗熱震性等熱學(xué)性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良性質(zhì)[1-2],在國(guó)防、機(jī)械、化工、電子、冶金等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。但是,由于SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物,其共價(jià)鍵成分高達(dá)88%,自擴(kuò)散系數(shù)非常小,即使采用很高溫度和較高壓力都不能使其致密化[3-4]。
早期的添加少量硼和碳燒結(jié)助劑屬于固相燒結(jié)的范疇,燒結(jié)溫度高,基本在2000℃以上,引入氧化物等燒結(jié)助劑后,在陶瓷材料的燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生多元低共熔物,從而可以在較低的溫度下采用無(wú)壓燒結(jié)方式實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié),完成陶瓷的致密化,還可以使陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能明顯提高,同時(shí)降低了制備成本。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者在碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)工藝上取得較大進(jìn)展[4-15]。
趙珍[16]在制備碳化硅陶瓷的研究中提出在溫度和壓力一定的條件下,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化硅的密度、硬度、斷裂韌度和彎曲強(qiáng)度逐漸提高.劉銀波[17]在碳化硅陶瓷的固相燒結(jié)與研磨介質(zhì)球的制備中提出,適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間能確保顆粒間的擴(kuò)散傳質(zhì)順利完成,因而能有效地提高陶瓷材料的致密度。本實(shí)驗(yàn)研究不同保溫時(shí)間對(duì)SiC復(fù)合陶瓷材料結(jié)構(gòu)與形貌的影響,以期為碳化硅陶瓷燒結(jié)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供有益參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1樣品制備[18]
將經(jīng)過(guò)熱處理后的碳化硅粉體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%)與燒結(jié)助劑按質(zhì)量比9:l配置;燒結(jié)助劑A12O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%),Mg0(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%)和Y2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%)按質(zhì)量比2:4:4稱(chēng)料,以無(wú)水乙醇作為研磨介質(zhì),球料質(zhì)量比為1:l,在南京大學(xué)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的QM-3SP2-CL型行星式球磨機(jī)上球磨24 h;濕混后的漿料靜置1 d使其充分混合;將漿料置于重慶市永生實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的CS101型電熱鼓風(fēng)干燥箱中于80℃,烘干400 min,加入黏結(jié)劑經(jīng)過(guò)200目篩處理后得到黏結(jié)性、可塑性良好的粉體;采用湘潭市中山儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的SBY-10型手動(dòng)壓片機(jī)在20 MPa下等壓30 min,將原料壓制成φ=13 mmX (1-2) mm的生坯圓片,置于氧化鋁坩堝中,在箱式電阻爐中,由室溫加熱至120℃,恒溫1h,繼續(xù)加溫至500℃,恒溫8h,對(duì)生坯進(jìn)行排塑處理;將生坯置于石墨坩堝中后放入天舟海泰科技有限公司生產(chǎn)的TECHTAL-CQ24-80型真空碳管燒結(jié)爐中,于流動(dòng)的氬氣氣氛下進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié),按10℃/min的速率升溫至l400℃,再以5℃/min升溫至1450℃,恒溫30 min后以5℃/min的速率升溫至1900℃,分別恒溫1h、1.5 h、2h后隨爐自然降溫至室溫。
1.2性能測(cè)試
碳灰硅復(fù)合陶瓷樣品性能內(nèi)容測(cè)試如表1所示。
2 結(jié)果與討論
2.1 SiC復(fù)合陶瓷樣品的XRD分析
圖l為所制備系列SiC+ (Al2O3-MgO-Y2O3)夏合陶瓷的XRD圖譜。從下至上分別為純SiC和保溫時(shí)間分別為1h、1.5 h、2h的陶瓷樣品,其主晶相均為6H-SiC,各衍射峰清晰明銳,結(jié)晶度較高;通過(guò)檢索分析,在2θ角大約為45.026°處,3個(gè)樣品均出現(xiàn)SiO2衍射峰,其中,保溫時(shí)間為1.5 h陶瓷樣品的SiO2衍射峰較明顯;3個(gè)樣品在2θ角大約為33.360°處均出現(xiàn)Y3Al5O12衍射峰,這說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中Y2O3與Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成了Y3Al5O12;保溫時(shí)間為1h,1.5 h的樣品分別在2θ角大約為26.690°,28.795°處出現(xiàn)SiO2衍射峰。
2.2 SiC復(fù)合陶瓷樣品的致密性
將不同燒結(jié)方法燒成的SiC+ (Al2O3-MgO-Y2O3)復(fù)合陶瓷樣品通過(guò)阿基米德排水法獲得體密度和顯氣孔率,結(jié)果表明,保溫時(shí)間1h、1.5 h和2h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品的體密度分別為2.48 g/cm3,2.59 g/cm3和2.32 g/cm3,氣孔率分別為27.67%、20.92%和34.62%。體密度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小,顯氣孔率則呈相反趨勢(shì)。
為了降低樣品的燒失率,均采用粉體埋燒處理。通過(guò)對(duì)系列樣品燒結(jié)前后的質(zhì)量與密度比較,發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)過(guò)程中均存在著一定的質(zhì)量流失。保溫時(shí)間1h、1.5 h和2h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品的質(zhì)量損失分別為0.162 6g、0.150 9g和0.132 4g。隨著保溫時(shí)間的增加,質(zhì)量損失不斷降低,密度則呈先減小后增大的趨勢(shì)。質(zhì)量損失產(chǎn)生的原因可能是由于燒結(jié)溫度過(guò)高,燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)。
2.3 SiC復(fù)合陶瓷樣品的微觀形貌分析
圖2為燒結(jié)溫度為l900℃,保溫時(shí)間從1h增加到2h,燒結(jié)成的碳化硅陶瓷樣品在3000倍時(shí)的SEM掃描圖片,其中a,b,c分別代表1h、1.5 h、2h。保溫時(shí)間為1h時(shí),晶粒尺寸大小不一,且分布不均勻,存在著孔洞。保溫時(shí)間為1.5 h時(shí),材料的晶粒表面較光滑無(wú)棱角,孔洞較多,致密性較差。保溫時(shí)間為2h時(shí),材料的晶粒為長(zhǎng)條狀,棱角分明,晶粒尺寸明顯增大,孔隙較少,致密性良好。
2.4 SiC復(fù)合陶瓷樣品的熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)與分析
保溫時(shí)間1h,1.5 h和2 h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品在-100~150℃溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)分別為3.65 X 10-6 K-l,2.48 X10-6 Kl和2.89X10-6 Kl,隨保溫的增加并未呈現(xiàn)線(xiàn)性減小的趨勢(shì)。
3 結(jié)語(yǔ)
本實(shí)驗(yàn)以Al2O3-MgO-Y2O3為燒結(jié)助劑,采用無(wú)壓液相燒結(jié)工藝,在氬氣保護(hù)下,分別在不同保溫時(shí)間制備了SiC復(fù)合陶瓷。結(jié)果表明:保溫2h時(shí),SiC陶瓷主晶相為6H-SiC,且是單相SiC;它的表面光滑,致密性良好,密度較大,所以比較3種保溫時(shí)間,保溫2h為較佳保溫時(shí)間。
[參考文獻(xiàn)]
[1]余繼紅,江東亮.碳化硅陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用[J].陶瓷工程,1998(3):3-11.
[2]王艷香,譚壽洪,江東亮.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的研究與進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2004 (3):456-462.
[3]秦成娟,王新生,周文孝.碳化硅陶瓷的研究進(jìn)展[J].山東陶瓷,2006,8 (4):17-19.
[4]李 纓,黃鳳萍,梁振海.碳化硅陶瓷的性能與應(yīng)用[J].陶瓷雜志,2007 (5):36-41.
[5]戴培赟,周 平,王泌寶,等.碳化硅致密陶瓷材料研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷,2012 (4):1-6.
[6]譚壽洪,陳忠明,江東亮,等.液相燒結(jié)SiC陶瓷[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1998,26(2):191-197.
[7]陳宇紅,韓鳳蘭,吳瀾爾.液相燒結(jié)碳化硅陶瓷[J].礦產(chǎn)綜合利用,2003,4 (2):33-36.
[8]毛小東,沈衛(wèi)平,白 玲.液相燒結(jié)SiC陶瓷的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,5 (Cl):194-197.
[9]武衛(wèi)兵,靳正國(guó).碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)及其研究進(jìn)展[J].山東陶瓷,2002,3 (1):14-16.
[10]宋岳.碳化硅陶瓷前驅(qū)粉體制備及其燒結(jié)研究[D].寧波:寧波大學(xué),2009.
[11]常永威.高性能碳化硅陶瓷材料制備技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009.
[12]吳瀾爾,江 涌,喬發(fā)鵬.燒結(jié)溫度對(duì)碳化硅陶瓷力學(xué)性能的影響[J].粉末冶金技術(shù),2010,2(1):58-60.
[13]馬靜梅,陳 琪,肖 利,等.燒結(jié)溫度對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料組織及力學(xué)性能的影響[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,11 (4):61-63.
[14]蔡智慧,周 偉,曾 軍,等.燒結(jié)工藝對(duì)SiC-Y2O3-Al2O3液相燒結(jié)的影響[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,7(4):525-529.
[15]周 偉,蔡智慧,曾 軍,等.燒結(jié)助劑對(duì)SiC液相燒結(jié)行為的影響[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,7(4):530-534.
[16]趙 珍,何新波,曲選輝,等.SPS制備碳化硅陶瓷的研究[J].粉末冶金工業(yè),2007 (3):28-33.
[17]劉銀波.碳化硅陶瓷的固相燒結(jié)與研磨介質(zhì)球的制備[D].西安:西安科技大學(xué),2015.
[18]張曉旭,石秀麗,朱 強(qiáng),等.Al2O3-MgO-Y2O3為燒結(jié)助劑對(duì)SiC陶瓷表面形貌的影響[J].伊犁師范學(xué)院(自然科學(xué)版),2015,9(2):40-41.