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碳化硅
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炭黑加多加少,对碳化硅性能会造成什么影响?

文章出处:粉体圈网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2019-02-16 11:49:00【
炭黑加多加少,对碳化硅性能会造成什么影响?
  碳化硅家族中有一员叫“反应烧结碳化硅”,它是一种近乎完全致密的工程陶瓷,既能保持碳化硅陶瓷高强度、高硬度、耐磨损等优良力学性能,同时还能兼具抗热震、高热导率、低膨胀系数等热学性能、耐酸碱侵蚀等化学性能,是现代工业的重要陶瓷材料之一。
 
反应烧结碳化硅的制备原理
  以α-SiC和C为原料,加入适量的粘结剂进行成型和千燥处理,然后放入含有Si的埋料中,当坯体在炉内受热时坯体周围的Si熔融,渗入到坯体的毛细管中同坯体中的C反应生成SiC。产生的SiC逐渐填充坯体中的孔隙,并把原有的α-SiC连结起来,最后达到制品的致密化,并获得强度。
由此可见,碳化硅的制备过程离不开碳源。碳源的选项有石墨、炭黑、树脂等,其中炭黑是使用历史较为长久的一种。在实际应用中,炭黑的用量需讲究一个度,加多加少都会对碳化硅的组织与性能造成极大的影响,因此许多研究员开始对其适宜用量展开了研究。
其中,李连跃等以碳化硅粗粉D50=50μm,碳化硅细粉D50=5μm,炭黑D50=1。4μm为原料,焙烧硅粒径3 mm,假设现生产中采用的配方炭黑加入量为Awt。%,逐渐提高炭黑的加入量至1。15倍A、1。4倍A、2倍A、2。5倍A、3倍A分别配制浆料进行实验,实验结果下文小编将进行总结。
 
01炭黑含量对料浆粘度的影响
  坯体一般是采用注浆成型制作,通过加入少量的水溶性有机组合剂与陶瓷粉体和炭黑构成分散性好的水基悬浮浆料,再将浆料注入石膏模具,使料浆固化而获得具有一定强度的坯体。
制备高固相含量、低粘度、稳定性良好的料浆是实施注浆成型工艺的前提和关键,一般认为低于1 Pa·S(1000 MPa·S)的料浆的粘度在注浆成型复杂部件时有利于料浆的脱气、除泡和充模,下图是炭黑含量对浆料粘度的影响:
炭黑含量对浆料粘度的影响
 
 
02炭黑含量对料浆PH值的影响
  研究学者在此点上的试验仍采用正常生产的水溶性组合剂,他们发现炭黑加入量在一定范围内,pH值均呈碱性。随着炭黑加入量增加,pH值逐渐增大,料浆颗粒表面电荷增多,Zeta电位增大,颗粒间的静电斥力增加,料浆更趋于稳定。
炭黑含量对料浆pH的影响
 
03炭黑含量对烧结体性能的影响
  研究员按炭黑不同加入量(Awt.%、1.15Awt.%、1.4wt.%、2Awt.%、2.5Awt.%、3Awt.%)共配置6组浆料,并采用注浆成型方法制备试样。试样烧结后测试每组试样的抗弯强度和和体积密度,并得出下方关系图。
碳含量对烧结体体积密度的影响  
碳含量对烧结体三点抗弯强度的影响
 
 
  可以看出,随着炭黑含量的增加,烧结体体积密度和抗弯强度逐渐增大,炭黑加入量为2。5A时出现了强度最大值,烧结体力学性能最好。不过当炭黑含量过大(3A)时,烧结体会出现炸裂,内部出现黑色“夹生”区域。烧结体体积密度和抗弯强度急剧下降,力学性能表现最差。
烧结体对比
 
  炸裂的原因:碳化硅在破碎、制粉、存放中,在标准大气压下碳化硅表面氧化产生SiO2,并带入坯体中,当坯体中炭黑含量较高时,引起素坯局部区域的反应烧结温度过高,加速了SiO2与碳的还原反应,从而使单位时间内气体(CO、SiO)的排出量增加。
当坯体内部的气体还没有完全排出,而反应界面三维方向的渗透孔隙已经被新生碳化硅完全填充时,材料中会存在部分气孔;而随着气体聚集、压力升高,其顶托作用导致坯体炸裂。
 
04碳含量对烧结体显微结构的影响
  下图所示为碳含量不同各烧结体试样断口SEM照片,各图中灰色区域为碳化硅,白色区域为硅。
  可以看出,碳含量在A-2.5Awt.%范围内,形成了致密的几乎无气孔的材料,它由均匀分布的碳化硅颗粒和游离硅组成。随着碳加入量的增多,烧结体中碳化硅含量逐渐增多,碳化硅粒径有所增大,碳化硅相互联接呈骨架状。但过多的碳含量易造成烧结体中残碳的出现,如f所示。进一步增加炭黑增大到3A时,试样烧结不完全,内部出现黑色“夹层”。图g为f的边缘部位SEM照片,这部分反应充分,生成了致密的骨架状结构;而图h为f的内心部位SEM照片,这部分出现了大量未参与反应的残余碳。
  碳与熔融硅反应时,其体积膨胀为234%,这使得反应烧结碳化硅的显微组织与生坯中的碳含量密切相关。当生坯中的碳含量较少时,硅-碳反应生成的碳化硅不足以填充碳粉周围的孔隙,使得试样中的游离硅数量较多;随着生坯中碳的增加,硅-碳反应生成的碳化硅便可以充分填充碳粉周围的孔隙,并将原始碳化硅联结在一起,此时试样中的游离硅含量减少,烧结体密度升高。但是,当生坯中的碳较多时,碳与硅反应生成的二次碳化硅迅速将碳粉包围,使得熔融硅难以与碳粉接触,造成烧结体中有残碳存在。
 
资料来源粉体圈

炭黑含量对反应烧结碳化硅组织与性能的影响,李连跃,孙洪鸣,田素贵,任东琦。 

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