納米碳化硅的重結晶對多孔碳化硅陶瓷制備的影響

唐健江 劉波波 楊建鋒

摘要：文章旨在利用高溫重結晶工藝，通過納米碳化硅（SiC）的蒸發一凝聚實現重結晶粘結工藝制備多孔SiC陶瓷，研究納米SiC添加量對多孔SiC陶瓷組織結構和性能的影響。結果表明：納米SiC含量的增加提高了蒸發一凝聚過程，促進了頸部的發育和細小的微米SiC顆粒的物質傳輸，使微米顆粒尖角處的物質傳輸能夠微米顆粒圓整化和頸部結合提高。此外，隨著納米SiC重結晶的提高，多孔SiC陶瓷呈現氣孔率高和從底部到頂部的孔徑尺寸呈連續梯度分布的特點，使得多孔SiC陶瓷的抗彎強度由32.7MPa增加至35.8MPa。

關鍵詞：重結晶碳化硅;多孔陶瓷;納米SiC添加;力學性能

中圖分類號：TB321;TQ174.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0008-04

重結晶碳化硅（ recrystallization silicon car-bide.RSiC）由于純度極高、不含晶界雜質相而具有優異的高溫力學性能、抗氧化性、高熱導率以及較小的熱膨脹系數，被廣泛用于航空航天、冶金、化工、能源、環保等領域[1-4]。RSiC陶瓷具有較高的氣孔率，是制備柴油車顆粒物過濾器的理想材料，但其材料內的孔徑控制和力學性能提高還需進一步的研究[5，6]。

目前，在制備多孔碳化硅陶瓷得到廣泛應用的造孔劑、發泡劑主要有鋸末、碳粉、石墨、淀粉、糊精、酵母粉、硅粉、樹脂顆粒、聚氨酯粉末等，主要為各類有機物。有機造孔劑具有密度小、造孔效率高、使用溫度低、易消除的優點，但不適合一些特殊的高溫環境。相關研究表明，碳化硅高溫下分解為Si、N2兩種氣體，是很好的造孔劑，而且分解產物沒有殘留，是一種很理想的高溫造孔劑[7，8]。此外，重結晶過程中納米SiC可在較低燒結溫度下具有較高的蒸氣壓，促進蒸發一凝聚過程，可有效促進燒結頸的發育，從而提高多孔SiC材料的強度[9-11]。

因此，本文利用高溫重結晶工藝，通過納米碳化硅（SiC）的蒸發一凝聚實現重結晶粘結工藝制備多孔SiC陶瓷，研究納米SiC添加量對多孔SiC陶瓷組織結構和性能的影響。

1 實驗

將納米碳化硅（dso=50nm）粉末與碳化硅（d50=120μm）粉末按質量百分比：10：90;20：80;30：70分別配制，樣品依次編號為：lO%、15%、20%。粉料經初步混合后，外加聚乙烯醇（PVA），99%的醇解顆粒，作為粘結劑和成型潤滑劑，烘箱90℃烘干。采用干壓成型壓力為lMPa，烘箱90℃烘干，制備樣品毛坯。將樣品裝入石墨坩堝中，埋于粗的碳化硅砂（ 1.18-2.Omm）中，但只裸露樣品的上表面（如圖1所示），裝入電磁感應真空爐中。在室溫-900qC時以20℃/min速度升溫，900-1300℃溫度以30℃/min升溫，溫度升高至1300℃ -1900℃時以15。C/min升溫，然后再在1900℃保溫60min，最后以平均30℃/min冷卻，爐內使用氬氣保護，爐壓為0.5x105Pa。

2 結果與分析

圖2為納米碳化硅重結晶后的多孔碳化硅陶瓷在1900℃下燒結60min的斷口形貌圖。由圖可知，重結晶結束后納米SiC消失，使得微米SiC顆粒尖角處的物質傳輸到顆粒表面和頸部，在顆粒間形成了燒結頸，獲得多孔SiC陶瓷。而此時重結晶后的微米SiC顆粒由帶尖角的多角形向圓整形轉變，大顆粒表面變得十分光滑，形狀接近球形或橢球形。隨著納米SiC添加量的增加，大顆粒之間空隙逐漸降低，顆粒之間燒結頸面積增加。當納米碳化硅含量為10%時，試樣的斷裂是在大顆粒咬合的頸部區域發生;當納米碳化硅的含量為15%時，試樣的斷裂除了在大顆粒咬合的頸部區域發生外，還有一部分斷口出現在大顆粒內部;當納米碳化硅含量增加至20%時，試樣的斷裂主要以大顆粒晶體內部穿晶斷裂，這在一定程度上可以提高其樣品的抗彎強度。

通過進一步分析可知，在較高溫度下（≥1900℃），納米SiC會產生蒸發一凝聚現象，使微米SiC顆粒表面處于活性較高的狀態，這容易發生氣相傳質或表面擴散。當納米顆粒完成氣相傳質后，微米顆粒尖角處也會繼續通過蒸發一凝聚過程傳輸到顆粒表面和頸部，當大顆粒表面和頸部飽和蒸氣壓過大時，會出現納米SiC的重結晶，在表面生成小的SiC顆粒。另一方面，納米SiC的傳質過程不能使頸部獲得完全發育，體系中頸部與顆粒尖角處的蒸氣壓差仍然比較大，此時活性較高的微米SiC表面可較快的實現從尖角到頸部的物質傳輸，進而使得微米晶粒整體比較圓整。因此，可將納米SiC促進的重結晶SiC的燒結過程分為：納米顆粒蒸發一凝聚而形成燒結頸，微米顆粒尖角處的物質傳輸能夠微米顆粒圓整化和提高頸部結合，促進細小的微米SiC顆粒的物質傳輸。

表1為不同含量納米SiC重結晶后的多孔 SiC陶瓷平均孔徑的統計結果。由統計結果可知，從多孔SiC陶瓷頂部到底部，平均孔徑尺寸是逐步減小的;隨著納米SiC含量的增加，頂部和、中部和底部的平均孔徑尺寸逐漸減少。從孔徑尺寸可知，所有試樣內部的孔徑尺寸均在14μm以上，這表明納米SiC含量的增加，一定程度上有利于降低微米SiC內部的氣孔尺寸。

圖3為納米SiC重結晶后的多孔SiC陶瓷樣品的孔隙率與抗彎強度結果。由統計結果可知，多孔SiC陶瓷的孔隙率隨著納米SiC含量的增加略微下降，基本保持在48%以上：試樣的抗彎強度則隨著納米SiC含量的增加而增加（由32.7MPa增加至35.8MPa）。

綜上所述可知，試樣的彎曲強度增大，表明隨著納米SiC含量增加，試樣中產生的氣相物質在離開前已在蒸汽壓低的頸部位置沉積，進一步表面提高氣相至燒結頸的傳輸速率和傳輸總量，從而增加燒結頸的面積，提高材料的力學性能。另一方面，隨著納米SiC含量的增加，材料強度對氣孔率的敏感程度不斷增加。按照Griffith斷裂理論，氣孔相當于材料中的裂紋，較大的裂紋會導致更低的彎曲強度，所以隨著孔徑的增大強度下降更快。

3 結語

通過納米SiC的蒸發一凝聚實現重結晶粘結工藝制備了多孔SiC陶瓷材料，得到的主要結論如下。

1）納米SiC含量的增加提高了蒸發一凝聚過程，促進了頸部的發育，使微米顆粒尖角處的物質傳輸能夠微米顆粒圓整化和頸部結合提高，并促進細小的微米SiC顆粒的物質傳輸;

2）隨著納米SiC重結晶的提高，多孔SiC陶瓷呈現氣孔率高和從底部到頂部的孔徑尺寸呈連續梯度分布的特點，使得多孔SiC陶瓷的抗彎強度從32.7MPa增加至35.8MPa。

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