原料預處理對SiC多孔陶瓷性能的影響

龔澤洲，張賀賀，徐榮琪，徐 慢,季家友

(武漢工程大學材料科學與工程學院，武漢 430205)

市售的工業級SiC粉末通常是銳利的、不規整的、粒徑分布寬，會導致在樣品燒結的過程中顆粒流動性較差的問題。樣品在摻入氧化物或造孔劑后燒結的SiC多孔陶瓷存在低于或高于平均孔徑數倍的膜孔、孔徑分布較寬等問題[1-3]，使得燒結的SiC陶瓷性能較差，堆積密度較低，而預處理后的SiC粉可以制得較高堆積程度、較高強度的SiC陶瓷[4-6]。重結晶SiC多孔陶瓷不含晶界雜質[7]，并且是通孔的結構。原料的粒徑分布和顆粒形貌都對燒結有著重要的影響[8,9]。Nakagoshi、Liu、Rodaev等[10-12]的研究表明更規則的尺寸分布和均勻形貌的顆粒可以制得孔徑分布窄的多孔陶瓷，從而可以調高多孔陶瓷的過濾通量和精度。上述研究的燒結溫度均低于2 100 ℃(傳質機理為表面擴散)，論文采用高溫(≥2 150 ℃)重結晶燒結法(傳質機理為蒸發-凝聚)探究預處理對不同傳質機理重結晶燒結的SiC多孔陶瓷性能的影響。基于前期團隊積累的經驗，直接確定1 750 ℃作為最佳預處理溫度。系統研究了不同燒結溫度下預處理粉體、未經預處理粉體、微粉重結晶燒結SiC多孔陶瓷的力學性能、開孔孔隙率、孔徑分布等性能，并對其燒結機理進行了闡釋。

1 試 驗

1.1 原材料

1)500目SiC粉(D50=17.42 μm)；預處理的SiC粉(D50=17.60 μm)；10 000目SiC微粉(D50=1.55 μm)(以上粉料純度≥99%，產自平頂山易成新材料有限公司)。

2)聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)：K值為27.0～33.0，乙烯吡咯烷酮≤0.001%，灼燒殘渣≤0.10%。

1.2 方法

對500目SiC微米粉進行1 750 ℃預處理。選用500目SiC粉體、預處理500目SiC粉體作為粗顆粒，選用10 000目SiC粉體用作細顆粒。將500目SiC粉、10 000目SiC粉、3%聚乙烯吡咯烷K30(PVP),按照表1的比例混合攪拌后旋轉蒸發干燥，取出SiC混合粉料在樣品袋中陳腐12 h，將陳腐后的粉料適當研磨后，壓制素坯成型。

將素坯放于管式電阻爐在650 ℃(氮氣氣氛)排膠。排膠后的素坯放置在SiC氣氛燒結爐中，分別在2 170 ℃、2 250 ℃、2 330 ℃(氬氣氣氛)常壓燒結得到SiC多孔陶瓷。將燒結后樣品放入到馬弗爐中除殘碳，后對SiC陶瓷多孔陶瓷進行XRD、SEM、抗彎強度、孔徑、體積密度和開孔孔隙率的表征。

表1 SiC粉原料配比

2 結果及分析

2.1 預處理對SiC粉體的影響

1)物相分析

對500目SiC粉和預處理500目SiC粉的物相進行分析，結果如圖1所示。由圖1可知，未經預處理SiC粉和預處理500目SiC粉主要的晶型是6H-SiC，兩者均為六方相結構，在2θ為34.097、35.658、38.136、60.010、71.765處有明顯的衍射峰，經過標定和比對發現與6H-SiC的標準卡片(JCPDS卡號72-0018)一致，對應于卡片上的(101)、(006)、(103)、(110)、(116)晶面。預處理后SiC粉體特征峰和未經處理SiC粉體的特征峰高度吻合，說明1 750 ℃預處理后SiC粉體的物相未發生改變。

2)微觀形貌

圖2為1 750 ℃預處理前后的SiC粉末的形貌圖，其中圖2(a)為500目SiC粉原樣的形貌圖，由圖可見，SiC顆粒的形狀不規則且棱角尖銳，粒度分布較寬；圖2(b)為1 750 ℃預處理500目SiC粉后樣品的形貌圖，由圖可見，SiC顆粒尖角變得圓潤，細顆粒明顯減少，大顆粒表面變得光滑，顆粒粒徑分布明顯變窄。SiC顆粒凹面上的空位濃度高于凸面上的空位濃度，不同大小的顆粒之間也會存在空位濃度差，在一定溫度激發下，空位梯度驅動空位流動，空位流向空位濃度低的地方，原子則反向流動，流動到原子濃度低的地方，從而實現粒子的形貌改變，形貌改變的機理是表面擴散。

3)粒徑分布

圖3是1 750 ℃預處理前后SiC粉體的粒度分布圖。由圖3可見，1 750 ℃預處理后的SiC粉比500目SiC粉的粒徑分布更為集中，未經預處理的SiC粉體的D97為47.92 μm，預處理的SiC粉體的D97為39.29 μm。

通過對同一燒結溫度下不同級配燒結的SiC多孔陶瓷的強度進行表征，確認10 000目微粉摻量為30%，SiC多孔陶瓷的強度最高，故采用10 000目微粉摻量為30%的配比進行后續實驗。

2.2 燒結溫度對SiC多孔陶瓷微觀形貌的影響

圖4為不同燒結溫度的SiC多孔陶瓷斷面SEM圖，從圖4中可以明顯發現經預處理后，多孔陶瓷的孔徑分布明顯優化。隨著燒結溫度升高，SiC多孔陶瓷的斷裂形式由沿晶斷裂變為穿晶斷裂。圖4(c)、圖4(f)由于燒結溫度高，細顆粒的表面飽和蒸氣壓變大，大量細顆粒蒸發凝聚形成燒結頸，發生二次結晶進一步導致部分大晶粒長大。

2.3 燒結溫度對SiC多孔陶瓷孔徑分布的影響

圖5是不同燒結溫度下各級配的SiC多孔陶瓷孔徑分布圖。由圖5可見,隨著燒結溫度的升高，未經預處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在3.17 μm、3.22 μm、3.44 μm左右，呈現增大趨勢，其對應的孔徑分布百分比分別為70.6%、44.3%、32.6%。經預處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在2.65 μm、2.93 μm、3.05 μm左右，呈現增大趨勢，其對應的孔徑分布百分比分別為64.7%、53.3%、72.3%。逐一對比可以發現原料預處理可有效改善SiC多孔陶瓷的孔徑分布。

2.4 燒結溫度對SiC多孔陶瓷抗彎強度的影響

圖6是不同燒結溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的抗彎強度。由圖6可見，未經預處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強度分別為103.65 MPa、108 MPa、85.75 MPa，呈現先增大后減小的趨勢，2 250 ℃樣品抗彎強度最高為108 MPa。經預處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強度分別為86.20 MPa、115.08 MPa、113.47 MPa，預處理后樣品強度顯著提升，2 250 ℃樣品抗彎強度最高為115.08 MPa。抗彎強度變化趨勢同圖4的SiC多孔陶瓷的微觀形貌變化相符。

2.5 燒結溫度對SiC多孔陶瓷開孔孔隙率的影響

圖7是不同燒結溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率圖。由圖7可見，隨著燒結溫度升高，SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率整體呈現先減小后增大的趨勢，和強度變化趨勢呈反比,主要是經預處理和重結晶的綜合作用使得顆粒粒徑分別變窄，使得堆積密度增大。圖7(a)中2 250 ℃下經預處理的SiC多孔陶瓷開孔孔隙率增大，這應該是使用的市售粉體粒徑分布過寬或實驗誤差所致。

3 結 論

a.SiC粉體預處理可顯著改善高溫重結晶燒結的SiC多孔陶瓷性能。預處理后的SiC粉體、10 000目微粉(摻量30%)經2 250 ℃燒結后SiC多孔陶瓷開孔率為33.02%，平均孔徑為3.02 nm，彎曲強度為115.08 MPa。

b.預處理的主要機制是表面擴散，空位從較大SiC的顆粒流向附于表面的較小顆粒，原子則從較小顆粒流向較大顆粒的空位；燒結溫度是影響重結晶燒結的最大因素。