碳化硅引入量對高鋁陶瓷性能的影響

1引言

氧化鋁陶瓷作為一種重要的結構陶瓷材料，憑借其卓越的性能如高硬度、優異的耐磨性、出色的耐腐蝕性以及良好的化學穩定性，在航天、機械、化工、電子等多個領域得到了廣泛應用。然而，氧化鋁陶瓷的抗熱震性能較差，其臨界抗熱震溫差僅為 200^°C 左右。在實際應用過程中，尤其是在溫度變化劇烈的環境中，如火箭發動機噴嘴、高溫爐襯等，氧化鋁陶瓷容易因熱應力過大而發生破裂，這極大地限制了其在高溫領域的應用范圍。因此，提高氧化鋁陶瓷的抗熱震性能成為了材料科學研究中的一個重要課題。

提高材料的抗熱震性能通常有以下幾種途徑：一是提高材料的強度和彈性模量，使其能夠承受更大的熱應力；二是降低材料的熱膨脹系數，減少因溫度變化引起的體積變化；三是提高材料的熱導率，加快熱量的傳導，減少熱應力的積累。在實際操作中，可以通過向氧化鋁陶瓷中引入一些第二相材料來實現上述目標。例如，引入氧化鋯顆粒可以提高材料的斷裂韌性，金屬銅顆粒可以提高熱導率，而鈦酸鋁和堇青石等材料則可以降低熱膨脹系數。此外，多孔陶瓷因其獨特的結構特點，如比表面積大、熱穩定性好等，通過在氧化鋁陶瓷中形成多孔結構，也可以有效提高其抗熱震性能。

本課題通過在氧化鋁陶瓷中引入碳化硅（SiC），利用SiC在高溫下易氧化的特性，在氧化鋁基體中形成多孔結構，從而改善材料的抗熱震性能。這一研究不僅有助于拓展氧化鋁陶瓷的應用領域，還為制備高性能多孔陶瓷材料提供了新的思路和方法。

2實驗

2.1實驗原料

氧化鋁粉（ Al₂O₃ ，工業純，河南濟源兄弟材料有限公司）；碳化硅（SiC，分析純，西安博爾新材料有限責任公司）；聚乙烯醇（ （CH₂=CHOH）n ，分析純，上海金樹科技股份有限公司）。

2.2實驗過程

使用電子天平按照設計的實驗配方（表1所示）稱取原料，以1：1.5：1的料：球：水質量比將原料球磨混勻。球磨后的漿料盛入坩蝸并放人干燥箱中， 80% 下恒溫干燥^12h 。將干燥后粉末進行造粒處理，與聚乙烯醇粘結劑溶液（質量百分比濃度為 5% ）充分混勻，過篩后陳腐 ^12h 。將造粒后流動性較好、假顆粒級配合適的粉料，自然堆積、裝滿于模具內，在 20MPa 下，保壓 1min 壓制成條狀壞體，最后在 1650^°C 下燒結成瓷。

2.3性能測試與表征

用游標卡尺測量陶瓷樣品燒結前和燒結后的尺寸，計算陶瓷樣品的燒成收縮率。采用煮沸法計算出陶瓷樣品的吸水率和體積密度。使用型號為WDW-20萬能試驗機測量陶瓷樣品的抗折強度。采用KYKY-EM3900M型掃描電鏡對陶瓷樣品的斷口形貌進行表征。

3結果與分析

3.1燒成收縮率、體積密度及抗折強度分析

圖1為高鋁陶瓷的燒成收縮率、體積密度以及抗折強度隨SiC引入量的變化曲線。隨著SiC引入量的增多，燒成收縮率呈下降趨勢，且逐漸趨于平緩。1#樣品的燒成收縮率為 15.49% ，11#樣品降低至 13.60% 。這是由于SiC在燒結過程中發生氧化反應，導致體積膨脹，抵消了壞體的部分收縮，從而宏觀上體現為高鋁陶瓷材料的燒成收縮率的下降。

根據體積密度的定義知，體積密度是質量與體積的比值。所以體積密度除與材料的自身組成有關以外，氣孔率也是一個重要因素，故體積密度一定程度上也反映了材料的氣孔率。如圖1所示，體積密度隨著SiC引入量的增多整體呈現下降趨勢，1#樣品的體積密度為3.92g/cm³，11# 樣品降低至 3.69g/cm³ 。這是因為SiC在壞體中的發泡作用而形成氣孔，其化學反應式為： SiC+20₂ SiO₂+CO₂ ，隨著SiC引入量的增多，發泡作用亦愈加明顯，氣孔率也隨之上升，最后導致高鋁陶瓷材料的體積密度下降。

樣品的抗折強度隨著SiC引入量的增大逐漸下降。SiC引人量為 0%0.9% 和 1.9% 的抗折強度分別為274.53.259.81.211.86MPa_c 。這是因為隨著SiC引入量的增多，氣孔率逐漸上升。由斷裂強度公式可以知道，材料的斷裂強度與材料的彈性模量、斷裂表面能及其材料內部所存在的最危險裂紋的尺寸都有關系。對于大多數材料而言，彈性模量會隨著材料氣孔率的上升而下降；斷裂表面能是指材料形成新的單位面積所需要消耗的能量，故隨著氣孔率的上升，材料的斷裂表面能也會呈現下降趨勢；除此之外，氣孔自身作為一種缺陷也有可能會成為材料內部的最危險裂紋。因此，抗折強度隨著SiC引入量的增多而下降合乎情理。當引入量高于 1.5% 時，樣品的抗折強度急劇下降，這將不利于實際應用，因此SiC的引入量應該低于 1.5% 為宜。

3.2熱膨脹系數分析

圖2為1#和9#試樣的熱膨脹系數測試結果。未引入SiC與引入 1.5wt% SiC的試樣的熱膨脹系數如圖2所示，SiC的引入使得材料的熱膨脹系數有一定降低，這主要是由于材料氣孔率上升，使得材料的熱膨脹體積部分為氣孔所容納，宏觀上則體現為材料熱膨脹系數的下降，這有利于抗熱震性的改善。綜上分析，引入SiC對陶瓷試樣的體積密度、抗折強度及熱膨脹系數的影響規律總體上保持一致。

3.3掃描電鏡分析

能的改善，提供了一定的方向。

圖3為不同試樣的SEM斷面形貌照片。由圖3（a）（b）所示，配方1#和3#樣品非常致密，可知當SiC引入量較低時，樣品中無明顯氣孔出現。而從配方7#和9#樣品的斷面中可以看到明顯的氣孔，且有逐漸增多的趨勢。由此可見，樣品的氣孔率隨著SiC引入量的增多而增大，這與樣品的性能變化曲線是一致的。

4結論

本文研究了碳化硅的引入量對高鋁陶瓷性能的影響。SiC引入量的增加將導致樣品的燒成收縮率、體積密度、抗折強度及熱膨脹系數的同步降低，這些變化均來源于SiC良好的造孔效果。當引人量為 1.5% 時，樣品的抗折強度為 257MPa_c 引入量高于 1.5% 時，樣品的抗折強度急劇下降，這將不利于實際應用，因此SiC的引入量應該低于 1.5% 為宜。這項工作為后續氧化鋁陶瓷抗熱震性

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Effect of Silicon Carbide Content on Properties of High Alumina Ceramics

FAN Ren-jie （Jingdezhen University，Jing de zhen 333000）

Abstract：Teohalocsistacfumnaacsrosltsitsprtialaplatioileousraicsalle beterthealscksista.Bsdotistissdyriestotrduceescodpaseofiloncarbideintoauminaceramstpove theperformanceoftheraicsanddiscuestheectoftheintroductioofslconarbideontheperformaneofhigaumuamics. Withtheiceasofittteingagsityalaxpsiotoflel showedadecreasing trend，whichwasduetotheincreaseofporositycausedbytheintroductionofSiC.Whenthedosageis 1.5% ，the flexural strength of the sample is 257MPa .When the introduction amount is higher than 1.5% ，the bending strength of the sample will decrease sharply， so the introduction amount of SiC should be lower than 1.5%

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