碳化硅水泥基復合材料力學性能研究

李佩楓， 盧歡歡

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

引言

碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性好良好和抗沖擊等特性。碳化硅主要有四大應用領域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料[1]。碳化硅不僅可以增強水泥基復合材料的力學性能，還可以利用碳化硅特性定向增強水泥基材料輻射防護能力[2]。但由于碳化硅化學性質穩定，不參與水泥水化反應，碳化硅水泥基復合材料相關的報道并不多。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

首先考慮碳化硅顆粒級配問題，既要滿足水泥骨料級配要求來保證試樣強度，又要有足夠的比表面積，使顆粒表面有足夠的SiO2薄膜與水泥水化產物反應，錨固在水泥中。本實驗采用河北鎬成材料科技有限公司生產的純度為99.9%碳化硼顆粒，粒徑為0.15～0.18 mm。

其次選擇合適時間、溫度以及環境，碳化硅氧化分為活性氧化和鈍性氧化。蒸汽壓力，蒸汽流速和組成對碳化硅動力學有一定影響[3]普通條件下（大氣氛圍下1 000～2 000 ℃），碳化硅顆粒會產生致密牢固的SiO2薄膜，阻止進一步的反應，稱為活性氧化。在特殊條件下，如超高溫及很低的氧氣氣氛條件下，碳化硅表面形成揮發性SiO2，使SiO2被消耗腐蝕，稱為鈍性氧化[4]。將顆粒放置于高純剛玉干鍋中，在900℃，1 000 ℃，1 100 ℃普通大氣氣氛條件下，進行5 h高溫氧化處理。最后統一進行隨爐冷卻。砂子采用廈門艾思歐公司生產的ISO 標準砂，1 350 g/袋±5g/袋。實驗采用諸城市楊春水泥有限公司，普通硅酸鹽42.5水泥。

1.2 實驗儀器

本實驗采用沈陽通用電爐制造有限公司生產的箱式電阻爐，型號為SX-12-12。JCM-6000plus Neo-Scope 臺式掃描電子顯微鏡進行觀測。EDS（Energy Dispersive Spectrometer）X 射線能譜儀進行元素分析。雙杠式電動試驗機進行力學性能的測試。

1.3 實驗步驟

先將碳化硅顆粒放置在坩堝中，置于不同溫度的電阻爐中進行5 h 的高溫氧化。氧化的溫度分別為900℃、1 000 ℃以及1 100 ℃。利用SEM電子顯微鏡觀察顆粒表面二氧化硅薄層，選擇出氧化效果最好的碳化硅顆粒。分別將未處理的碳化硅顆粒和氧化效果最好的碳化硅顆粒，按照砂子的1%，3%，5%，7%以及9%的質量分數，加入到水泥中。依據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》，按照水灰質量比為1∶2，制成標準水泥砂漿試件（40 mm×40 mm×160 m），并在混凝土標準養護室，溫度標準為20℃±2℃，相對濕度標準為95%以上條件下，進行28 d 養護。碳化硅顆粒氧化5h 后的SEM掃描電鏡圖如圖1 所示。

由圖1 SEM掃描電鏡分析，在大氣氣氛條件下高溫灼燒5 h，900 ℃的碳化硅顆粒表面變化不明顯，但隨著溫度的提升（1 000 ℃、1 100 ℃條件下），碳化硅表面形貌改變逐漸明顯，生成的薄膜變厚，保護層變得致密均勻。表1 中EDS 能譜分析印證了上述電鏡結果，900 ℃條件下，由于溫度沒達到碳化硅高溫氧化的溫度，O 元素含量變化不明顯，但是溫度達到1 000 ℃后，碳化硅開始發生氧化，O 元素重量的提升說明顆粒表面的薄膜是SiO2氧化層。故實驗最終選擇1 100 ℃條件下高溫氧化5 h 的碳化硅顆粒，并根據表2 進行實驗配比。

表1 EDS 能譜分析

表2 碳化硅水泥砂漿試件編號表

2 結果與討論

2.1 分析數據

由表3、表4、圖2 分析可知：隨著碳化硅取代砂率的提高，28 d 試件的抗折強度與抗壓強度，先增大后減小。在S 的實驗組中，S-3 相較于空白組抗折強度提高了42.29%，抗壓強度提高了29.04%。在SO 實驗組中，SO-3 相較于空白組抗折強度增加了57.3%，抗壓強度提高了27.14%。且在相同的摻量下，氧化后的碳化硅作為添加劑，會更好的提升復合材料的力學性能。

表3 未處理碳化硅試件組28 d 力學性能實驗結果

表4 1 100 ℃、5 h 碳化硅氧化后試件組28 d 力學性能實驗結果

2.2 討論與展望

在合適的摻量下，加入適量的碳化硅顆?？捎行嵘嗌皾{的力學性能，而加入高溫氧化后的碳化硅顆粒，抗拉抗壓強度提升的效果會更加明顯，這是由于SiO2薄膜與水泥水化時析出的Ca（OH）2反應，產生了水化鋁酸鈣以及水化硅酸鈣，讓碳化硅顆粒錨定在水泥中，對水泥強度的提升做出了貢獻。