粉体超微化及烧结助剂引入对碳化硅陶瓷制备的影响

摘要

碳化硅陶瓷是一种高性能的结构陶瓷,具有高硬度、高强度、耐高温、耐化学腐蚀、高热导率、低热膨胀等性能,广泛用于各个工业领域。碳化硅陶瓷的烧结、结构及性能与SiC粉体制备、成型工艺、烧结工艺及添加剂等因素密切相关。目前,碳化硅陶瓷制备中存在粉体颗粒度大、团聚严重、粒度分布宽,粉体流动性及成型性能差,陶瓷材料的烧结性能及力学性能较差等问题,影响了碳化硅陶瓷的应用。本文在回顾碳化硅陶瓷原料制备及烧结工艺研究现状的基础上,采用新型气流粉碎进行SiC粉体的超微化处理,制备粒径小、分布窄、五团聚的SiC超微粉。在溶胶—凝胶法制备YAG(Y3Al5O12)超细粉的基础上,采用溶胶—凝胶法在SiC粉体中引入烧结助剂YAG,制备分散均匀的SiC/YAG复合粉体,降低复合粉体的烧结温度,通过工艺优化,制得高性能碳化硅陶瓷。研究对无压烧结碳化硅陶瓷的实际生产提供参考依据,具有重要的应用前景。采用流化床对撞式气流粉碎(QLM-80K)超微化处理SiC粉体。工艺优化的研究结果表明,随着工作压力增大,分级轮频率提高,超微化处理效果明显,最佳工艺参数为:分级轮频率40HZ,破碎压力0.7 MPa,粉碎次数1次;此工艺条件处理后,SiC粉体的平均粒径由3.01μm降至0.75μm,粒径分布由0.4～1.5μm和8～23μm的双峰分布变为0.4～1.2μm的单峰分布,分布宽度从25.125降到0.833,取得较好的超微化效果。粉体超微化提高了素坯特性及均匀性,降低了坯体烧结温度,改善了固相烧结碳化硅陶瓷的性能及组织结构。与未超微化相比,超微化后碳化硅陶瓷的硬度由2.05GPa升至2.60GPa,断裂韧性由3.1MPa·m1/2升至3.8MPa·m1/2,抗弯强度由353MPa升至420MPa。采用无机盐前驱体溶胶—凝胶法制备YAG超细粉和SiC/YAG复合粉体。研究结果表明,YAG凝胶呈网状结构,YAG相转变过程为无定型→YAM→YAP→YAG,干凝胶在920℃左右热处理后完全转变成YAG相,Y与Al的原子比约为3:5,经研磨后制备得粒径分布窄、平均粒径约为210nm的超细YAG粉末。在溶胶—凝胶法制备YAG过程中,加入SiC粉体,SiC颗粒嵌入在YAG凝胶网络中,并在SiC浙江大学硕士学位论文颗粒表面形成一层包裹膜,经过与YAG相同的干燥及热处理工艺后,获得YAG粒径小、均匀分散的siC/YAG复合粉体。采用真空无压烧结进行碳化硅复合粉体的烧结致密化。研究结果表明,YAG添加量为10叭％时,碳化硅陶瓷的烧结性能和力学性能较佳;随着烧结温度的增加,碳化硅陶瓷的的烧结性能及力学性能变差。碳化硅适宜工艺为:YAG添加量IOwt%,烧结温度1860℃,烧结时间45min;在此工艺条件下,碳化硅陶瓷可以获得较高烧结性能及力学性能,其相对密度达到了98.23%,断裂韧性5.03 Mpa·m1/2,抗弯强度达到486MPa;陶瓷的晶粒细小,尺寸为0.5一2卿,且分布均匀;陶瓷的断裂方式为沿晶断裂。在碳化硅的固相烧结中,超微化处理后,随粉体颗粒尺寸的减小,表面能增加,增加烧结势能,降低烧结温度,促进碳化硅陶瓷的致密化。在碳化硅液相烧结中,超微化处理siC粉体有助于促进烧结初期的致密化,同时SIC/YAG复合粉体可以使YAG液相提前形成及均匀分布,降低烧结温度,促进了碳化硅陶瓷的快速致密化。

目录

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 碳化硅材料的历史

1．3 碳化硅陶瓷的性能及用途

1．3．1 碳化硅陶瓷的性能

1．3．2 碳化硅陶瓷的应用

1．4 碳化硅超细粉体制备

1．4．1 固相法

1．4．2 液相法

1．4．3 气相法

1．5 碳化硅陶瓷的烧结工艺

1．5．1 反应烧结SiC

1．5．2 重结晶SiC

1．5．3 热压烧结

1．5．4 常压烧结

1．6 本论文课题的提出

1．6．1 立项依据

1．6．2 研究内容及意义

第二章 碳化硅粉体超微化处理及对陶瓷性能影响

2．1 引言

2．2 实验内容

2．3 结果及讨论

2．3．1 气流粉粉碎的工艺优化

2．3．2 超微化粉体的粒度特征

2．3．3 超微化粉体的物化特性

2．3．4 超微化粉体对成型行为的影响

2．3．5 超微化粉体对烧结行为的影响

2．3．6 超微化粉体对陶瓷显微结构及性能的影响

2．4 本章小结

第三章 Sol-Gel制备YAG超细粉体

3．1 引言

3．1．1 Sol—Gel基本理论

3．1．2 实验设想

3．2 实验内容

3．2．1 原料条件

3．2．2 制备过程

3．2．3 测试及表征

3．3 结果及讨论

3．3．1 凝胶过程分析

3．3．2 差热及热重分析

3．3．3 红外分析

3．3．4 粉体物相分析

3．3．5 粉体粒度特征

3．3．6 粉体形貌分析

3．3．7 粉体能谱分析

3．4 本章小结

第四章 Sol-Gel制备SiC／YAG复合粉体

4．1 引言

4．2 实验内容

4．3 结果及讨论

4．3．1 包裹效果分析

4．3．2 复合粉体差热分析

4．3．3 复合粉体IR分析

4．3．4 复合粉体XRD分析

4．3．5 复合粉体表面形貌及能谱分析

4．4 本章小结

第五章 SiC／YAG复相陶瓷烧结实验

5．1 引言

5．2 实验内容

5．2．1 方案设计

5．2．2 制备过程

5．2．3 测试及表征

5．3 结果及讨论

5．3．1 添加剂含量对陶瓷性能的影响

5．3．2 烧结温度对陶瓷性能的影响

5．3．3 碳化硅陶瓷制品

5．4 本章小结

第六章 SiC陶瓷烧结机理的探讨

6．1 碳化硅陶瓷的烧结特性

6．2 SiC陶瓷固相烧结机理

6．3 SiC液相烧结机理

6．4 本章小结

第七章 全文总结

参考文献

致谢

发表的论文