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        原料預(yù)處理對SiC多孔陶瓷性能的影響

        2022-06-22 08:03:30龔澤洲張賀賀徐榮琪季家友
        建材世界 2022年3期
        關(guān)鍵詞:空位粉體孔徑

        龔澤洲,張賀賀,徐榮琪,徐 慢,季家友

        (武漢工程大學材料科學與工程學院,武漢 430205)

        市售的工業(yè)級SiC粉末通常是銳利的、不規(guī)整的、粒徑分布寬,會導致在樣品燒結(jié)的過程中顆粒流動性較差的問題。樣品在摻入氧化物或造孔劑后燒結(jié)的SiC多孔陶瓷存在低于或高于平均孔徑數(shù)倍的膜孔、孔徑分布較寬等問題[1-3],使得燒結(jié)的SiC陶瓷性能較差,堆積密度較低,而預(yù)處理后的SiC粉可以制得較高堆積程度、較高強度的SiC陶瓷[4-6]。重結(jié)晶SiC多孔陶瓷不含晶界雜質(zhì)[7],并且是通孔的結(jié)構(gòu)。原料的粒徑分布和顆粒形貌都對燒結(jié)有著重要的影響[8,9]。Nakagoshi、Liu、Rodaev等[10-12]的研究表明更規(guī)則的尺寸分布和均勻形貌的顆??梢灾频每讖椒植颊亩嗫滋沾桑瑥亩梢哉{(diào)高多孔陶瓷的過濾通量和精度。上述研究的燒結(jié)溫度均低于2 100 ℃(傳質(zhì)機理為表面擴散),論文采用高溫(≥2 150 ℃)重結(jié)晶燒結(jié)法(傳質(zhì)機理為蒸發(fā)-凝聚)探究預(yù)處理對不同傳質(zhì)機理重結(jié)晶燒結(jié)的SiC多孔陶瓷性能的影響。基于前期團隊積累的經(jīng)驗,直接確定1 750 ℃作為最佳預(yù)處理溫度。系統(tǒng)研究了不同燒結(jié)溫度下預(yù)處理粉體、未經(jīng)預(yù)處理粉體、微粉重結(jié)晶燒結(jié)SiC多孔陶瓷的力學性能、開孔孔隙率、孔徑分布等性能,并對其燒結(jié)機理進行了闡釋。

        1 試 驗

        1.1 原材料

        1)500目SiC粉(D50=17.42 μm);預(yù)處理的SiC粉(D50=17.60 μm);10 000目SiC微粉(D50=1.55 μm)(以上粉料純度≥99%,產(chǎn)自平頂山易成新材料有限公司)。

        2)聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP):K值為27.0~33.0,乙烯吡咯烷酮≤0.001%,灼燒殘渣≤0.10%。

        1.2 方法

        對500目SiC微米粉進行1 750 ℃預(yù)處理。選用500目SiC粉體、預(yù)處理500目SiC粉體作為粗顆粒,選用10 000目SiC粉體用作細顆粒。將500目SiC粉、10 000目SiC粉、3%聚乙烯吡咯烷K30(PVP),按照表1的比例混合攪拌后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥,取出SiC混合粉料在樣品袋中陳腐12 h,將陳腐后的粉料適當研磨后,壓制素坯成型。

        將素坯放于管式電阻爐在650 ℃(氮氣氣氛)排膠。排膠后的素坯放置在SiC氣氛燒結(jié)爐中,分別在2 170 ℃、2 250 ℃、2 330 ℃(氬氣氣氛)常壓燒結(jié)得到SiC多孔陶瓷。將燒結(jié)后樣品放入到馬弗爐中除殘?zhí)?,后對SiC陶瓷多孔陶瓷進行XRD、SEM、抗彎強度、孔徑、體積密度和開孔孔隙率的表征。

        表1 SiC粉原料配比

        2 結(jié)果及分析

        2.1 預(yù)處理對SiC粉體的影響

        1)物相分析

        對500目SiC粉和預(yù)處理500目SiC粉的物相進行分析,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,未經(jīng)預(yù)處理SiC粉和預(yù)處理500目SiC粉主要的晶型是6H-SiC,兩者均為六方相結(jié)構(gòu),在2θ為34.097、35.658、38.136、60.010、71.765處有明顯的衍射峰,經(jīng)過標定和比對發(fā)現(xiàn)與6H-SiC的標準卡片(JCPDS卡號72-0018)一致,對應(yīng)于卡片上的(101)、(006)、(103)、(110)、(116)晶面。預(yù)處理后SiC粉體特征峰和未經(jīng)處理SiC粉體的特征峰高度吻合,說明1 750 ℃預(yù)處理后SiC粉體的物相未發(fā)生改變。

        2)微觀形貌

        圖2為1 750 ℃預(yù)處理前后的SiC粉末的形貌圖,其中圖2(a)為500目SiC粉原樣的形貌圖,由圖可見,SiC顆粒的形狀不規(guī)則且棱角尖銳,粒度分布較寬;圖2(b)為1 750 ℃預(yù)處理500目SiC粉后樣品的形貌圖,由圖可見,SiC顆粒尖角變得圓潤,細顆粒明顯減少,大顆粒表面變得光滑,顆粒粒徑分布明顯變窄。SiC顆粒凹面上的空位濃度高于凸面上的空位濃度,不同大小的顆粒之間也會存在空位濃度差,在一定溫度激發(fā)下,空位梯度驅(qū)動空位流動,空位流向空位濃度低的地方,原子則反向流動,流動到原子濃度低的地方,從而實現(xiàn)粒子的形貌改變,形貌改變的機理是表面擴散。

        3)粒徑分布

        圖3是1 750 ℃預(yù)處理前后SiC粉體的粒度分布圖。由圖3可見,1 750 ℃預(yù)處理后的SiC粉比500目SiC粉的粒徑分布更為集中,未經(jīng)預(yù)處理的SiC粉體的D97為47.92 μm,預(yù)處理的SiC粉體的D97為39.29 μm。

        通過對同一燒結(jié)溫度下不同級配燒結(jié)的SiC多孔陶瓷的強度進行表征,確認10 000目微粉摻量為30%,SiC多孔陶瓷的強度最高,故采用10 000目微粉摻量為30%的配比進行后續(xù)實驗。

        2.2 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷微觀形貌的影響

        圖4為不同燒結(jié)溫度的SiC多孔陶瓷斷面SEM圖,從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)經(jīng)預(yù)處理后,多孔陶瓷的孔徑分布明顯優(yōu)化。隨著燒結(jié)溫度升高,SiC多孔陶瓷的斷裂形式由沿晶斷裂變?yōu)榇┚嗔选D4(c)、圖4(f)由于燒結(jié)溫度高,細顆粒的表面飽和蒸氣壓變大,大量細顆粒蒸發(fā)凝聚形成燒結(jié)頸,發(fā)生二次結(jié)晶進一步導致部分大晶粒長大。

        2.3 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷孔徑分布的影響

        圖5是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷孔徑分布圖。由圖5可見,隨著燒結(jié)溫度的升高,未經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在3.17 μm、3.22 μm、3.44 μm左右,呈現(xiàn)增大趨勢,其對應(yīng)的孔徑分布百分比分別為70.6%、44.3%、32.6%。經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在2.65 μm、2.93 μm、3.05 μm左右,呈現(xiàn)增大趨勢,其對應(yīng)的孔徑分布百分比分別為64.7%、53.3%、72.3%。逐一對比可以發(fā)現(xiàn)原料預(yù)處理可有效改善SiC多孔陶瓷的孔徑分布。

        2.4 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷抗彎強度的影響

        圖6是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的抗彎強度。由圖6可見,未經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強度分別為103.65 MPa、108 MPa、85.75 MPa,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,2 250 ℃樣品抗彎強度最高為108 MPa。經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強度分別為86.20 MPa、115.08 MPa、113.47 MPa,預(yù)處理后樣品強度顯著提升,2 250 ℃樣品抗彎強度最高為115.08 MPa。抗彎強度變化趨勢同圖4的SiC多孔陶瓷的微觀形貌變化相符。

        2.5 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷開孔孔隙率的影響

        圖7是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率圖。由圖7可見,隨著燒結(jié)溫度升高,SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,和強度變化趨勢呈反比,主要是經(jīng)預(yù)處理和重結(jié)晶的綜合作用使得顆粒粒徑分別變窄,使得堆積密度增大。圖7(a)中2 250 ℃下經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷開孔孔隙率增大,這應(yīng)該是使用的市售粉體粒徑分布過寬或?qū)嶒炚`差所致。

        3 結(jié) 論

        a.SiC粉體預(yù)處理可顯著改善高溫重結(jié)晶燒結(jié)的SiC多孔陶瓷性能。預(yù)處理后的SiC粉體、10 000目微粉(摻量30%)經(jīng)2 250 ℃燒結(jié)后SiC多孔陶瓷開孔率為33.02%,平均孔徑為3.02 nm,彎曲強度為115.08 MPa。

        b.預(yù)處理的主要機制是表面擴散,空位從較大SiC的顆粒流向附于表面的較小顆粒,原子則從較小顆粒流向較大顆粒的空位;燒結(jié)溫度是影響重結(jié)晶燒結(jié)的最大因素。

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