【正文】 .......22 3 實驗原料及實驗方法 ................................................................................23 實驗原料 ............................................................................................23 粉末 ...................................................................................23 其他原料 .................................................................................23 實驗方法 ............................................................................................23 試樣制備 .................................................................................23 高壓燒結(jié)制度 .........................................................................24 陶瓷材料研究技術(shù)路線 ..............................................................25 性能測試 ............................................................................................26 包套去除及分析樣加工 .........................................................26 根據(jù)阿基米德原理測樣品的密度（排水法） .....................26 物相分析 .........................................................................27 4 SiC 陶瓷的高壓燒結(jié) .................................................................................28 引言 ....................................................................................................28 未添加燒結(jié)助劑時溫度、時間對陶瓷燒結(jié)性能的影響 ................28 燒結(jié)溫度對陶瓷燒結(jié)性能的影響 .........................................28 燒結(jié)時間對陶瓷燒結(jié)性能的影響 .........................................29 添加燒結(jié)助劑對陶瓷燒結(jié)性能的影響 ............................................30 燒結(jié)助劑添加量對陶瓷燒結(jié)性能的影響 .............................31 燒結(jié)溫度對陶瓷燒結(jié)性能影響 .............................................33 燒結(jié)時間對陶瓷燒結(jié)性能的影響 .........................................34 高壓燒結(jié)機理 ....................................................................................34 5 結(jié)論與展望 ................................................................................................37 SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 iii 結(jié)論 ....................................................................................................37 展望 ....................................................................................................38 致 謝 ..............................................................................................................39 參考文獻 ..........................................................................................................40 SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 1 1 緒論 引言 當(dāng)今世界，材料的重要性已被人們充分認識，材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料不斷提出新的要求，因此，世界各發(fā)達國家對材料的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用都極為重視，并把材料科學(xué)技術(shù)列為二十一 世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。 SiC 陶瓷材料最早在 20 世紀(jì) 80 年代作為熱結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和熱物理性能、好的自潤滑性能等優(yōu)點，是一種能滿足 1650℃ 使用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料。 20 世紀(jì) 80 年代起，國內(nèi)對作為航空航天熱結(jié)構(gòu)部件的 SiC 陶瓷復(fù)合材料開展了廣泛研究，近年來在中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院沈陽金屬所、航天工業(yè)總公司 43 所等單位的共同努力下，作為熱結(jié)構(gòu)的 SiC 陶瓷復(fù)合材料在制備技術(shù)和應(yīng)用等方面取得了較大進展，縮短了與世界先進水平的差距 。到 21 世紀(jì)初中南大學(xué)開始開展 SiC 摩擦材料的制備和摩擦磨損機理的研究。 然而 ,SiC 是一種共價鍵性很強的化合物，其自擴散系數(shù)極小，可燒結(jié)性很差。在傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝條件下，如果不加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，?SiC是很難燒結(jié)致密的。為了獲得致密的 SiC 燒結(jié)體，必須采用 SiC 細粉及加入少量合適的燒結(jié)添加劑，由于添加劑的引入， SiC 陶瓷的許多性能必定受到影響。此外即使在引入適當(dāng)添加劑的情況下， SiC 陶瓷的無壓燒結(jié)溫度和熱壓燒結(jié)溫度亦在 2050℃ 以上，這樣 SiC 粗晶容易生成、長大，從而導(dǎo)致 SiC 陶瓷的力學(xué)性能的降 低。因此，在一定程度上限制了 SiC 性能的發(fā)揮。為了克服 SiC 陶瓷無壓燒結(jié)工藝和熱壓燒結(jié)工藝等存在的缺陷，人們開發(fā)了高壓高溫?zé)Y(jié)等先進燒結(jié)工藝，取得了許多令人滿意的結(jié)果。在這一啟發(fā)下開展了高溫高壓燒結(jié) SiC 的研究，研究了燒結(jié)工藝及添加劑SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 2 等對陶瓷性能的影響，以期獲得低燒結(jié)助劑含量和純的高性能 SiC 陶瓷，開拓并掌握制備 SiC 等高熔點難燒結(jié)陶瓷的新技術(shù)。 本論文的主要目的是尋求一種新型的燒結(jié)方法，來降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間，并且在低的燒結(jié)條件下能夠燒結(jié)出高致密度，熱學(xué)、力學(xué)等性能都很優(yōu)良的陶瓷材料。本論文 利用靜態(tài)高壓燒結(jié)技術(shù)（ ）對 SiC陶瓷進行高壓燒結(jié)。經(jīng)過研究在高壓下燒結(jié) SiC陶瓷有其自身的特點：可以在低的溫度（ 1600℃ 以下）下燒結(jié)出更加致密的燒結(jié)體，接近于理論密度。而且縮短了燒結(jié)時間，提高了效率，降低了能耗。在高壓下燒結(jié)出的燒結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)致密，使得其一系列性能得到改善。 碳化硅的簡介 碳化硅的結(jié)構(gòu)及性能 碳化硅 主要有兩種結(jié)晶形態(tài)： βSiC 和 αSiC。 βSiC 為面心立方閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù) a=。 αSiC 是 SiC 的高溫型結(jié)構(gòu)，屬六方晶系，它存在著許多變體。 碳化硅 的折射率非常高，在普通光線下為 — 。各種晶型的 碳化硅 的密度接近， αSiC 一般為 ， βSiC 為 ，工業(yè) SiC 由于含有游離 Fe、 Si、C 等雜質(zhì)而成淺綠色或黑色。 綠碳化硅 和 黑碳化硅 的硬度在常溫和高溫下基本相同。 SiC 熱膨脹系 數(shù)不大，在 25~1400℃ 平均熱膨脹系數(shù)為 106/℃ 。 碳化硅 具有很高的熱導(dǎo)率， 500℃ 時為 (mK)。常溫下 SiC 是一種半導(dǎo)體。 碳化硅 的基本性質(zhì)列于表 11。 碳化硅 具有耐高溫、耐磨、抗沖刷、耐腐蝕和質(zhì)量輕的特點。 碳化硅 在高溫下的氧化是其損害的主要原因。 碳化硅粉體的制備方法 碳化硅粉末的合成方法主要有機械粉粹法和合成法。 （ 1） 機械粉粹法 SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 3 表 11 碳化硅的基本性質(zhì) 性質(zhì) 指標(biāo) 性質(zhì) 指標(biāo) 摩爾質(zhì)量 / (g/mol) 德拜溫度 /K αSiC 1200 βSiC 1430 顏色 純 SiC為黃色，添加 B、N、 Al 為棕色 能隙 /eV αSiC βSiC 密度 / (g/cm3) αSiC /K αSiC 5 βSiC 摩爾熱熔 / [J/(molK)] αSiC 彈性模量 /GPa 293K 為 475 βSiC 1773K 為 441 生成熱 （ 時） /(kJ/mol) αSiC 177。 彈性模量 /GPa 192 βSiC 177。 熱導(dǎo)率 /[W/(mK)] αSiC 體積模量 /GPa βSiC 300K 時的 介電常數(shù) αSiC ~ 抗彎強度 /Mpa 350~600 βSiC 電阻率 /Ωm αSiC ~103 βSiC 102~106 耐腐蝕性 在室溫下 幾乎是惰性 該法是通過外部熱能供給的高性能 球磨過程制備納米粉體，可以使用球磨機、振動磨、行星磨、砂磨、流能磨等機械。傳統(tǒng)的球磨機應(yīng)用較早，設(shè)備穩(wěn)定性較好，但效率低，粉磨后的粉體粒徑分布范圍廣，增加了分級難度。 SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 4 因此，研究高效的粉磨工藝、有效的提純及分級工藝對機械法制備工藝顯得非常有必要。有人用砂磨法一定工藝條件下，將平均粒徑為 的高純 SiC 粗粉砂磨粉粹 18h 后，得到了平均粒 徑為 、粉體尺寸分布窄、氧化質(zhì)量分數(shù)小于 ％ 的超細粉，同時避免了傳統(tǒng)球磨、酸洗工藝對環(huán)境的污染。另外，經(jīng)過充分研磨的顆粒之間也可以直接發(fā)生化合反應(yīng)得到粉體，有人采用 MAS 法獲得納米結(jié)構(gòu)的 SiC，并且合成高溫度低、反應(yīng)時間縮短。 近年來，隨著粉體工程學(xué)的發(fā)展，新型高效的粉粹設(shè)備如沖擊式粉粹機、氣流磨等不斷得以研制與應(yīng)用，而且傳統(tǒng)的研磨技術(shù)也得到了很大的改進：如通過調(diào)整工藝參數(shù)選擇球磨轉(zhuǎn)速、選擇適宜的料球比、對高能機械球磨過程中的氣氛加以控制和引入外部磁場等方法，可以大大提高研磨的效率。 （ 2） 合成法 該法是將幾種物質(zhì)在一定條件下使之發(fā)生化學(xué)法反應(yīng)，再從產(chǎn)物中得到納米粉體。按初始原料的物態(tài)又可分為固相法，如碳熱還原法、 Si 與 C直接反應(yīng)法等；液相法，如溶膠 凝膠法、聚合物熱分解法等；氣相法，如化學(xué)氣相沉積法、等離子體法、激光誘導(dǎo)法等。 其中，固相法首先由 Acheson 發(fā)明，是在 Acheson 電爐中，石英砂中的二氧化硅被碳還原制得 SiC，實質(zhì)是高溫電場作用下的電化學(xué)反應(yīng)，已有上百年大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的歷史，得到的 SiC 顆粒較粗，工藝反應(yīng)見匣下式，該工藝耗電量大， 37％ 用于生產(chǎn) SiC， 63％ 為熱能損失。 SiO2 (s) + 3C(s) → SiC(β) + 2CO(g) 70 年代發(fā)展起來的 ESK 法對古典 Acheson 法進行了改進， 80 年代出現(xiàn)了豎式爐、高溫轉(zhuǎn)爐等合成 βSiC 粉的新設(shè)備。 90 年代此法得到了進一步的發(fā)展。 Ohsaki S 等利用 SiO2 與 Si 粉的混合粉磨受熱釋放出的 SiO 氣體，與活性炭反應(yīng)制得 βSiC，隨著溫度的提高及保溫時間的延長，粉末的比表面積隨之降低。 Rambo C R 等還報道了以稻殼這一非傳統(tǒng)原料為SiC 陶瓷的高壓燒結(jié)工藝及性能材料專業(yè)本科畢業(yè)論文 河 5 硅源與碳源由該法制備 SiC 粉。隨著微波與固體中 的化學(xué)物質(zhì)有效而特殊