手机滑轨
李晓池;刘明刚;朱海马
【摘 要】以不同粒度的α-SiC为原料,添加A12O3,Fe2O3,H3BO3作为烧结助剂,通过配比实验、素坯成型、制品烧结,研究了不同助剂及其含量对SiC电热元件的密度、抗折强度、电阻率的影响,并探讨了对其性能影响的机理.结果表明:烧结助剂Al2O3对电热元件密度影响最大,在质量分数wB为0.3%时,密度为2.314 g/cm3;Fe2O3对其电阻率影响最大,在质量分数wB为0.5%时,最优的电阻率为0.634 Ω·cm.此外,H3BO3的加入对密度的提高不明显,加入过多反而降低了电热元件的密度,对电阻率起着负面影响. 【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2010(030)002
【总页数】5页(P217-221)太阳能沼气池
角钉
【关键词】烧结助剂;SiC电热元件;活化烧结
【作 者】李晓池;刘明刚;朱海马
【作者单位】西安科技大学,材料科学与工程学院,陕西,西安,710054;西安科技大学,材料科学与工程学院,陕西,西安,710054;西安科技大学,材料科学与工程学院,陕西,西安,710054
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ163+.4
机箱怎么防尘SiC(碳化硅)是典型的以共价键为主的材料,具有高强度、高硬度、高热导、低膨胀、比重小等性能,还具有较好的抗热冲击性和抗腐蚀性。SiC的这一系列优良性能使其在机械、化工、能源、军工等方面获得大量应用[1,2],也使其成为许多高新技术和高温领域应用中的首选材料。
SiC电热元件在使用温度和经济价值上,较金属电热元件有较大优势。此外,和其他无机材料电热元件 (如二硅化钼电热元件)相比,其原料丰富得多、价格便宜得多。但由于 SiC本身的强共价键,使其在高温下的自扩散系数相当低,即使在 2 100℃的高温下,C和 Si在高纯 SiC中的自扩散系数分别仅为 1.5×10-10和 2.5×10-13cm2/s[3],所以纯 SiC很难烧结,即使采用热
压烧结,若没有合适的烧结助剂,要使 SiC电热元件致密化,烧结的温度也是相当高的[4,5]。所以,选择合适的烧结助剂降低 SiC烧结致密化温度,一直是材料科学工作者不屈不挠的研究目标。
主要是通过研究不同烧结助剂及其不同用量对 SiC电热元件的密度、抗折强度和电阻率的影响,研究烧结助剂对其性能影响的机理,达到进一步提高电热元件性能的目的。
文中实验采用合理的 SiC粉末颗粒级配混料,加入不同种类的烧结助剂,再向已经配好的粉料中加入适量的粘结剂。混合均匀后,在适当的压力下用金属模具压制成 130 mm×26 mm×15 mm的长条形试样。然后再放于氮气保护烧结炉中重结晶烧结,制备出 SiC电热元件。
1.2.1 密度、抗折强度的测定
用液体浸泡试样,然后再用沸水煮 3 h,尽量使试样达到饱和。用电子天平和液体静力天平称干燥试样的质量 (m1)、饱和试样表观质量 (m2)和饱和试样空气中质量 (m3)。然后再根据下面公式计算。其中Dl为实验温度下,浸渍液体密度。本实验选用液体为蒸馏水,密度为 1×103kg/m3.
1.2.2 电阻率的测定
采用四电极法测定重结晶烧结的 SiC电热元件的室温电阻率。其测试原理如图 1所示。根据公式 R=U/I=ρ×l/s,则ρ=U×s/(I×l),计算 SiC试样的电阻率,其中 s为试样横截面积,I为通过样品电流,l为电压电极间距。
1.2.3 形貌分析
对样品用 JS M-6460LV扫描电子显微镜 (SEM)进行微观分析。测试条件：加速电压 20 kV,电流 70μA,工作距离15 mm.
图 2,图 3分别为 Al2O3,Fe2O3,和 H3BO3对 SiC电热元件密度和微观组织的影响。由图 2可以看出：随着 A12O3添加量的增大,电热元件的密度随之增大。主要是因为 A12O3与 SiC形成固溶体活化烧结[6],由于原料 SiC颗粒表面不可避免地存在少量 SiO2,在烧结过程中,A12O3和 S iO2于1 700～1 800℃形成固溶体,促进了颗粒重排,通过溶解—析出等烧结过程,填充了原颗粒间的空隙,促进了电热元件的致密化。由图 3(a)和 (d)对比可以清楚看出这一点。
加入 Fe2O3的电热元件,随着 Fe2O3含量 wB的增加,电热元件的密度由 2.29×103kg/m3(含量 wB为 0.1%)提高到 2.31×103kg/m3(含量 wB为 0.5%)。这主要是因为：氧化物本身在高温时呈现液相而得以在常压或加压条件下进行烧结。用这种方法得到的 SiC烧结体显微组织为细小的等轴状晶粒,新生成的第 2相分布在三角晶界处。在烧结过程中,生成的液相在冷却过程中,重新在颗粒间的空隙中结晶,并形成了由 Fe2O3,C和 SiC反应生成了新的非化学计量化合物,使得电热元件在烧结过程中产生致密化。由图 3(b)(d)对比可清楚看出这一点。
加入 H3BO3的电热元件可以看到制品的密度是先增大后减小。这主要是因为开始少量加入 H3BO3,它可以显著提高 SiC的烧结收缩动力,降低 SiC粉体界面能,提高粉体活性,有利于烧结致密化,从而提高电热元件的密度。但是过量 H3BO3的加入会促使 SiC晶粒长大,尤其是对α-SiC中的 6H多型体影响最大。由于本实验采用原料为α-SiC,所以出现图中那种情况。随着 H3BO3的加入,电热元件的密度是先增大后减小。由图 3(c)和 (d)对比也可以清楚看出上述分析结果。
图 4为烧结助剂对 SiC电热元件抗折强度的影响。从中可以看出,添加了 Al2O3,Fe2O3,H3
BO3的 SiC电热元件的抗折强度变化规律如下：加 Al2O3＞加 Fe2O3＞加 H3BO3.产生这种规律的原因是：Al2O3的加入产生了部分液相烧结,抑制晶体颗粒的异常长大,使得结晶细化,从而使样品的抗折强度大大提高。当施加压力时裂纹沿晶界扩展迂回,晶粒愈细,此路程愈长,初始裂纹尺寸就愈小,从而提高了其临界应力,提高了电热元件的抗折强度。SiC晶粒与新形成的第 2相的热膨胀系数和弹性模量不同,导致样品经冷却收缩后在晶相结合区产生残余张应力场,在外力的作用下,导致界面微开裂并扩展至相邻的两晶界。微裂纹的产生耗散了主裂纹的驱动能,起到了钝化主裂纹尖端的作用。这个过程被称作应力诱导微裂纹增韧[7,8],提高材料的强度。而 Fe2O3的加入,则可能在高温下产生了部分挥发,导致制品密度不如添加 Al2 O3的高。在断裂时偏转裂纹不如添加Al2O3的制品多,在施加应力时,耗散的裂纹扩展能就少,所以其临界应力也就变小了,进而导致抗折强度随着 Fe2O3的加入量增加而持续减小。当加入 H3BO3后,烧结过程中增大了原料的烧结驱动力,随着 H3BO3加入,导致晶粒异常长大,烧结成品的密度下降。由于晶粒的长大,裂纹沿晶界的扩展路程变短,在扩展程中所需的能耗也就减少,阻力变小,断裂更容易,同时也易引起穿晶断裂。而穿晶断裂所需的应力又比沿晶断裂小得多,所以降低了其强度。随 H3BO3加入量增加,强度不断减小。而图 3(c)还表明：加硼酸的电热元件颗粒间气孔比较大,许多颗粒都有着较为规则的形状,存在着
许多的六边形、五边形等多边形。那是因为在烧结过程中颗粒发生了长大,且都是先沿着α-SiC晶面长大,而后再沿着晶面法线方向即在三维空间内生长。从图 3还可以看出有烧结助剂的样品烧结效果好于无烧结助剂的。在有烧结助剂的样品中,加 Al2O3的烧结性能最好,其次是加 Fe2O3的。加 H3BO3的烧结效果最差。其原因和上面分析的一致。
图 5为 Al2O3,Fe2O3和 H3BO3对 SiC电热元件电阻率的影响。从中可以看出,加入了 A12O3的电热元件的电阻率明显下降。随着加入量的增大,电阻率变小,由开始的0.76Ω·cm降低为 0.71Ω·cm.产生这种结果的原因主要是由铝及其化合物的本身结构和性质所决定的,铝的价电子层结构是 3S23P1,其电离较小,属活泼金属。Al3+由于高电荷、小半径而具有很强的极化力。铝是缺电子原子,铝的化合物是缺电子分子。A12O3具有高的熔点和硬度,有多种同质异晶形态,其中 r-A12O3又称活性 A12O3,是一种多孔性物质,容易进入 SiC的晶格间隙中,产生杂质离子电导[9]。从而降低了电热元件电阻率。
当加入 Fe2O3,铁系元素与 SiC一起烧成时,它们的离子会进入 SiC的晶格间隙或占据晶体结构中正常结点的位置,破坏 SiC晶体中质点排列的有序性,引起晶体内周期性热场的畸变,产生点缺陷,形成杂质离子电导。另外,由于 SiC自身分解的碳有可能渗入铁系元素的晶格空
隙中,形成导电性良好的金属碳化物[10]。对于氧化铁,在碳存在的情况下,发生还原反应：Fe2O3+C-FeO+CO2.还原反应产生的 Fe2+离子不稳定,有可能放出一个电子 Fe2+-Fe3++e,从而产生电子电导,使得加入 Fe2O3后电热元件的电阻率急剧下降。如图 5中 Fe2O3的曲线所显示的那样。
对于添加了 H3BO3来说,随着 H3BO3的加入量增大,电热元件的电阻率是逐渐上升的。这主要是因为 H3BO3的加入导致了 SiC电热元件内部 SiO2含量的增加。SiO2的电阻率远远大于 SiC的电阻率,造成晶界空间电荷层对载流子运动产生的阻力比较大,使得载流子运动能力减小,越过晶界的数量也减少,导致传导电流的能力大大减弱,从而使材料的电阻率增大。
综合看图 5,Fe2O3对减小电热元件的电阻率起到的效果最大,其次为 A12O3,而 H3BO3的加入却导致了电热元件的电阻率的增加。结果表明：当 Fe2O3的含量 wB为 0.5%时,电阻率最小值为 0.634Ω·cm。
1)烧结助剂 Al2O3对 SiC电热元件密度影响最大,在含量 wB为 0.3%时,最大密度为 2.314×103kg/m3,随着 Al2O3加入量的增加,其抗折强度也呈增加趋势;Fe2O3对其电阻率影响最大,在 Fe2O3含量wB为 0.5%时,最优的电阻率为 0.634Ω·cm.
2)此 3种烧结助剂中,H3BO3的加入对 SiC电热元件密度的提高不明显,加入过多反而降低了电热元件的密度及抗折强度,并且对电阻率起着负面影响。
【相关文献】
[1] 余继红,江东亮.SiC陶瓷的发展与应用[J].陶瓷工程,1998,32(3)：3-11.
YU Ji-hong,J IANGDong-liang.Development and application of silicon carbide ceramics[J].Ceramic Engineering,1998,32(3)：3-11.
[2] 王 蕾,敖 青,付贵福,等.SiC发热材料微观结构特点 [J].机械工程材料,2004,28(2)：10-12.
橡胶弹力球WANG Lei,AO Qing,FU Gui-fu,et al.The microstructure characteristics of silicon carbide heatingmaterials[J].Mechanical EngineeringMaterial,2004,28(2)：10-12.
[3] 李晓池,刘明刚,朱海马.SiC电热元件制备工艺的优化[J].西安科技大学学报,2008,28(4);730-734.
收缩薄膜L IXiao-chi,L IU Ming-gang,ZHU Hai-ma.Optimized preparation process of silicon carbide
electric heating element[J].Journal of Xi′an University of Science and Technology,2008,28(4);730-734.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议