烧结温度对SiC_莫来石复相多孔陶瓷的影响

烧结温度对SiC/莫来石复相多孔陶瓷的影响/陈茂开等・119・烧结温度对SiC/莫来石复相多孑L陶瓷的影响”
陈茂开,万隆,刘小磐,胡伟达,王俊沙,翟浩冲
音频延时器(湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082)
摘要以高岭土、SiC粉末、A12()。粉末为主要原料,采用添加造孔剂法制备了SiC/莫来石复相多孔陶瓷,探讨了烧结温度对多孔陶瓷的气孔率、体积密度、抗折强度等的影响。分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)表征了样品的物相组成与断面形貌。结果表明,以淀粉为造孔稍,在1350℃下保温2h制备的样品综合性能最佳,其孔隙率为31.40%,抗折强度达到42.50MPa。
关键词碳化硅莫来石多孑L陶瓷烧结温度造孔剂
中图分类号:TB332文献标识码:A
InfluencesofSinteringTemperatureonthePorousSiC/MulliteCeramicsCHENMaokai,WANLong,LIUXiaopan,HUWeida,WANGJunsha,ZHAIHaochong(SchoolofMat
erialScienceandTechnology,HunanUniversity,Changsha410082)
AbstractPorousSiC/mulliteceramicswerepreparedbyaddingpore-formingmaterialmethodwithkaolinclay,SiCpowderandAlz03powderasrawmaterials.Theeffectsofsinteringtemperatureontheporosity,bulkden—sityandflexuralstrengthofporousceramicwerestudied.ThecrystalphaseandfracturemorphologyofsampleswerecharacterizedbyXRDandSEM,respectively.Theresultsshowthatthesamplesinteredat]350℃for2hwithamy-lumasthepore-formingagentexhibitsthemostexcellentproperties:itsporosityis31.40%,maximalflexuralstrengthis42.50MPa.
Keywordssiliconcarbide,mullite,porousceramics,sinteringtemperature,pore-formingagent
0引言
多孔陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、稳定性好等性能,已成功应用到工业的各个方面,如各种固液、固气分离材料、隔热、吸音、催化剂载体以及生物材料等[1一。SiC陶瓷具有高的室温和高温机械强度、高硬耐磨、良好的高温抗氧化性能及耐化学腐蚀性能等[2~。莫来石是Al:O。一si0:体系中唯一的稳定化合物,具有较低的热传导系数和热膨胀系数、高抗蠕变性以及良好的抗热震性和抗化学侵蚀等特性∞],是一种重要的工程陶瓷材料。SiC粉末不易成型,故在制备SiC多孔陶瓷时通常加入部分粘土(如高岭土)等,以提高成型性能H“J,同时也可降低材料的烧结温度。一定比例的高岭土和氧化铝在高温下可转化为莫来石,而莫来石和SiC具有相近的热膨胀系数和良好的化学相容性,这为制备SiC/莫来石多孔陶瓷提供了理论依据[7]。
多孔陶瓷的制备方法有很多,如有机泡沫浸渍法[8]、添加造孔剂法、溶胶一凝胶法和发泡法等[9]。本实验采用添加造孔剂法,通过高岭土与氧化铝之间的反应在SiC材料中引入莫来石,从而制备sic/莫来石复相多孔陶瓷,探讨了烧结温度对多孑L陶瓷的气孑L率、体积密度、力学性能、物相、断面形貌、抗氧化及抗热震等性能的影响,并比较了淀粉造孔剂与炭黑造孔剂对多孔陶瓷性能的影响。
1实验
1.1原料及样品制备
选用高岭土、SiC粉末、A1:03粉末为主要原料,配方没计如表1所示。
表1样品配方
Table1Formulaofsamples
按表l所示比例称取一定量的原料,分别以淀粉与炭黑为造孔剂,以Y。O。为烧结助剂,聚乙烯醇(PVA)溶液为临时粘接剂,混合均匀并在100MPa压力下模压成型,将坯体干燥24h后于空气气氛下烧结,烧结温度分别为1250℃、1300℃、1350℃、1400℃和1450℃,保温2h,自然冷却后即得到不同温度下烧结的sic/莫来石复相多孔陶瓷。
1j2样品表征
采用德国NETZSCHSTA449C型综合分析仪分析造孔
*长沙市科技计划项目(K1109117—11)
陈茂开:男,1986年生,硕士研究生,研究方向为结构与功能陶瓷材料万隆:通讯作者,男,1956年生,教授,博士生导师Email:wanlon91799@163.com
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剂在加热过程中的变化(升温速率为10℃/min,空气中);采
用Siemens公司D5000型x射线衍射仪对烧结后的试样进
行物相分析;采用阿基米德排水法测量试样的气孔率以及体
积密度;采用SKZ-500型数显抗折试验机测试试样抗弯蓝强
度(试样尺寸为40mmx5mm×5ram,跨距为30ram,加荷速
度为(9.8--+-_0.1)N/s);采用日本EIQUANTA一200型扫描电
子显微镜观察试样的断面显微结构。
2结果与讨论
2.1淀粉与炭黑的TG/DSC分析
图1、图2分别为淀粉和炭黑的TG/DSc曲线。从图1
中可以看出,淀粉在加热过程中存在两个放热峰,在333.1℃
出现一个放热峰,主要是由于淀粉发生复杂的热降解造成
的,其相应失重达7z%;在408.7℃m现另一个尖锐的放热
峰,这是由于热降解过程后的残碳化合物在氧气的参与下发
生灼热燃烧所致,失重约为22%。从图2中可以看出,温度
低于550℃时,炭黑氧化缓慢,失重较少;当温度高于550℃
时,炭黑开始出现较明显的氧化失重,并在662.8℃出现尖锐
的放热峰,氧化反应剧烈,伴随着约为95%的失重。
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图1淀粉的TG/DSC曲线
Fig.1TG/DSCcurvesofamylum
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图2炭黑的TG/DSC曲线
Fig.2TG/DSCcUrVESofcarbonblack
综合以上分析,为使淀粉和炭黑充分反应起到造孔的作用,本实验采用的烧结工艺为:在低于700
℃时采用2℃/min速率升温,在333℃、408。C、663℃分别保温0.5h、0.5h、1h;在高于700。Cff寸采用5℃/min的速率升温到最高烧结温度,并保温2h。
2.2烧结温度对样品气孔率和体积密度的影响图3、图4分别为SiC/莫来石多孔陶瓷的气孑L率和体积密度与烧结温度的关系曲线。由图3、图4可知,随着烧结温度的升高,多孔陶瓷的气孔率不断下降、体积密度不断增大。添加淀粉和炭黑作为造孔剂的样品的气孑L率分别从最高的36.42%、38.50%降至15,05%、21.31%,同时体积密度分别从最低的1.8919/cm3、1.8619/cm3增大到2.2629/cm3、2.1419/cm3。这是由于当烧结温度较低时,试样中形成的液相与结合相莫来石生成较少,烧结不完全,材料内部结构疏松,导致气孔率较高、体积密度较小;随着烧结温度的升高,产生的液相增多、粘度降低、流动性增大,更多的液相渗入气孔使得烧结体更加致密,因而烧结体的气孔率降低、体积密度增大。
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图3烧结温度对样品气孔率的影响
Fig.3PorosityofporousSiC/mulliteceramicssintered
atdifferenttemperatures
图4烧结温度对样品体积密度的影响
Fig.4VolumedensityofporousSiC/mulliteceramics
sinteredatdifferenttemperatures
另外,从图3、图4中还可以看出,在同一烧结温度下,以炭黑为造孔剂的多孔陶瓷的气孔率高于以淀粉为造孔剂的多孔陶瓷的气孔率,体积密度相对较低。这是由于在成型时,淀粉较炭黑有更好的粘结作用,并当生坯加热到70~80℃时,淀粉开始糊化,糊化后的淀粉更能起到很好的粘结作用,使颗粒连接更紧密,气孔相对较少,体积密度相对较大。同时,TG/DSC曲线分析结果显示,淀
粉在410。C时基本氧化完全,而炭黑在550℃时才开始出现氧化失重,温度高于660℃时才能氧化完全,炭黑完全氧化分解的温度比淀粉高,并由于添加炭黑作为造孔剂的试样易受氧扩散的影响,使炭黑在试样内部的充分氧化反应温度升高,反应相对滞后,这
磺酸酯烧结温度对SiC/莫来石复相多孔陶瓷的影响/陈茂开等・121・
有助于减少气孑L在后续高温烧结时的封闭。因此,以炭黑为造孔剂的sic/莫来石多孔陶瓷有相对较高的气孑L率与相对较低的体积密度。
2.3烧结温度对样品抗折强度的影响
图5为sic/莫来石多孔陶瓷的抗折强度与烧结温度的关系曲线。从图5中可以看出,以淀粉和炭黑作为造孔剂的试样的抗折强度均随烧结温度的升高先增大,并在1350℃时达到最大值,分别为42.50MPa和37.92MPa,之后则迅速降低。这是由于当温度低于1350℃时,生成的结合相莫来石和产生的玻璃液相较少,SiC基本没有变化,仍以颗粒堆积的形式存在,试样气孔率高,结构疏松,因而抗折强度较低;随着烧结温度的升高,一方面原料高岭土中低熔点氧化物如Naz0、K。0、Ca0等熔融成液相,加速了物质的扩散,促进了Al。()3与高岭土分饵产生的Si0。反应生成莫来石,使莫来石含量增加,与SiC结合作用增强;另一方面,当烧结温度低于1350℃时,SiC的氧化程度较轻微,因此1350℃烧结获得的材料抗折强度达到最大值¨…。
随着温度的继续升高,SiC表面氧化速率不断地加快,相关反应如式(1)、式(2)所示:
SiC(s)+(3/2)02(g)=giG2(s)+C0(g)(1)
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SiC(s)+202(g)=Si02(s)+C02(g)(2)
图5烧结温度对样品抗折强度的影响Fig.5鄹exuralstrengthofporousSiC/mulliteceramics
sinteredatdifferenttemperatures
当烧结温度达到1450℃时,少量结合相发生熔融,导致出现晶界玻璃相;SiC表面的氧化膜被破坏,更多的SiC裸露,并进而被氧化生成方石英,方石英由于晶型转变引起的体积变化导致样品的变形,同时也产生了一定的微裂纹。此外,过高的烧结温度使SiC氧化放出CO。等气体造成多孔陶瓷样品起泡,生成不规则孔隙,抗折强度出现大幅度下降[11|。因此,1350℃为较理想的烧结温度。
从图5中不难看出,以淀粉作为造孔剂的试样在同一烧结温度下有更高的抗折强度,这是由于淀粉与炭黑相比具有更好的成型性能和粘结作用,因而在烧结试样气孔率相差不大的情况下,以淀粉作为造孔剂的sic/莫来石多孔陶瓷材料有较好的力学性能。
2.4样品物相分析
图6为以淀粉、炭黑作为造孔剂在1350℃烧结制备的sic/莫来石多孔陶瓷样品的XRD图。从图6中可以看出,当烧结温度为1350℃时,复相多孔陶瓷主晶相为SiC,次晶相为莫来石、刚玉和方石英。石英相的出现是由于高岭土的加热分解及SiC的氧化反应产生的,莫来石的主要来源反应式如式(3)、式(4)所示:
3(A1203・2S102・2H20)一3A1203・2SiOz+
4Si02+6H20(3)3A1203+2Sioz=3A1203・2Si02(4)从图6中还可以看出,弓l入不同的造孔剂(淀粉和炭黑)不会对烧结后样品的物相组成产生明显的影响,表明造孔剂在样品中只起到了造孔效果,并由于其挥发留下孔洞而提高了物质扩散的作用,但并未参与烧结反应。
∞,(o)
图61350℃烧结制备的样品的XRD图
Fig.6XRDpatternsofporousSiC/mulliteceramics
sinteredat1350_1C
2.5烧结温度对样品断面形貌的影响
图7为在不同温度下烧结的SiC/莫来石多孔陶瓷断面的SEM图。其中图7(a)一(c)为以淀粉作为造孔剂烧结制备的多孔陶瓷的SEM图,图7(d)一(f)为以炭黑作为造孔剂烧结制备的多孔陶瓷的SEM图。从图7(a)和图7(d)中可以看出,在烧结温度为1250℃时,siC仍以颗粒状堆积,莫来石结合相和液相较少,其中以炭黑为造孔剂的烧结试样内部出现了颗粒的“塌陷”,局部有较大的气孔(图7(d))。较大的气孔是造孔剂烧除后留下来的空隙,而较小的气孔则是由颗粒堆积形成的。因此在1250℃烧结的多孔陶瓷因烧结温度低,结合相较少,内部结构疏松,其颗粒堆积形成小气孔的现象尤为明显。
从图7(b)和图7(e)中可以看出,当烧结温度升高到1350℃时,气孔减少,莫来石作为结合相生成并在siC晶粒周围形成三维网状膜层包裹在碳化硅表面,起到阻止SiC进一步氧化的作用[1¨。由于结合相增多,莫来石中硅铝离子扩散困难,品格位错滑移阻力大,使其具备了优良的高温抗蠕变性能,且高温变形小,线热膨胀系数低,与SiC匹配得当。因此,莫来石的生成有助于改善样品的高温性能,提高了制品的热稳定性和抗氧化性能[1“,同时莫来石相与SiC形成了有效的结合,使得材料力学性能大幅提高。
从图7(c)和图7(f)中可以看出,当烧结温度达到1450℃时,小气孔数量的大幅减少导致
出现了较少的大气孔,SiC颗粒之间的结合相发生熔融,导致存在晶界玻璃相,SiC表面被氧化或腐蚀生成方石英,其晶型转变的体积效应明显,使
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材料内部存在裂纹,并当试样受到外力作用时,裂纹总是沿着强度较低的玻璃相扩展,这也是导致试样抗折强度大幅下降的主要原因。
图7不同烧结温度下样品的断面形貌Fig.7SEMmicrographsofporousSiC/mulliteceramics
sinteredatdifferenttemperatures
3结论
(1)造孔剂对SiC/莫来石复相多孔陶瓷性能有直接的影响,淀粉较好的成型性能和粘结作用使其作为造孔剂的多孔陶瓷的综合性能相对较好。
(2)根据XRD与SEM分析可以得出,结合相莫来石的生成是改善SiC/莫来石复相多孑L陶瓷性能的主要原因。
(3)烧结温度对于SiC/莫来石复相多孔陶瓷的性能有重要的影响,随着烧结温度的升高,气孔率不断下降,体积密度不断增大,抗折强度出现先增大后减小的趋势。1350℃烧结后样品的气孔率为31.40%。常温抗折强度达到最大.为42.50MPa。
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(责任编辑沈恒)
烧结温度对SiC/莫来石复相多孔陶瓷的影响
作者:陈茂开, 万隆, 刘小磐, 胡伟达, 王俊沙, 翟浩冲, CHEN Maokai, WAN Long, LIU Xiaopan, HU Weida, WANG Junsha, ZHAI Haochong 作者单位:湖南大学材料科学与工程学院,长沙,410082
刊名:
材料导报
扫路刷英文刊名:Materials Review
年,卷(期):2012,26(20)
本文链接:d.g.wanfangdata/Periodical_cldb201220032.aspx

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