不同保溫時(shí)間對(duì)SiC復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)與形貌的影響

鹿桂花 周恒為 李志鵬 朱強(qiáng)

摘 要：本文采用無(wú)壓液相燒結(jié)工藝，以Al2O3-MgO-Y2O3體系為燒結(jié)助劑，燒結(jié)溫度為1900℃，保溫時(shí)間分別為1h，1.5 h和2h，制備SiC復(fù)合陶瓷，利用XRD和SEM方法研究了SiC陶瓷的物相組成和顯微組織形貌。結(jié)果表明：保溫2h時(shí)，SiC陶瓷主晶相為6H-SiC，且是單相SiC；陶瓷體表面光滑，致密性良好，密度為2.959 g/cm3，所以2h為最佳保溫時(shí)間。

關(guān)鍵詞：碳化硅陶瓷；保溫時(shí)間；無(wú)壓液相燒結(jié)；物相組成；顯微組織形貌

碳化硅因具有高硬度、耐磨損、高強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率及抗熱震性等熱學(xué)性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良性質(zhì)[1-2]，在國(guó)防、機(jī)械、化工、電子、冶金等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。但是，由于SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其共價(jià)鍵成分高達(dá)88%，自擴(kuò)散系數(shù)非常小，即使采用很高溫度和較高壓力都不能使其致密化[3-4]。

早期的添加少量硼和碳燒結(jié)助劑屬于固相燒結(jié)的范疇，燒結(jié)溫度高，基本在2000℃以上，引入氧化物等燒結(jié)助劑后，在陶瓷材料的燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生多元低共熔物，從而可以在較低的溫度下采用無(wú)壓燒結(jié)方式實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，完成陶瓷的致密化，還可以使陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能明顯提高，同時(shí)降低了制備成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者在碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)工藝上取得較大進(jìn)展[4-15]。

趙珍[16]在制備碳化硅陶瓷的研究中提出在溫度和壓力一定的條件下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化硅的密度、硬度、斷裂韌度和彎曲強(qiáng)度逐漸提高.劉銀波[17]在碳化硅陶瓷的固相燒結(jié)與研磨介質(zhì)球的制備中提出，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間能確保顆粒間的擴(kuò)散傳質(zhì)順利完成，因而能有效地提高陶瓷材料的致密度。本實(shí)驗(yàn)研究不同保溫時(shí)間對(duì)SiC復(fù)合陶瓷材料結(jié)構(gòu)與形貌的影響，以期為碳化硅陶瓷燒結(jié)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品制備[18]

將經(jīng)過(guò)熱處理后的碳化硅粉體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%）與燒結(jié)助劑按質(zhì)量比9：l配置；燒結(jié)助劑A12O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%），Mg0（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%）和Y2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%）按質(zhì)量比2：4：4稱(chēng)料，以無(wú)水乙醇作為研磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比為1：l，在南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的QM-3SP2-CL型行星式球磨機(jī)上球磨24 h；濕混后的漿料靜置1 d使其充分混合；將漿料置于重慶市永生實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的CS101型電熱鼓風(fēng)干燥箱中于80℃，烘干400 min，加入黏結(jié)劑經(jīng)過(guò)200目篩處理后得到黏結(jié)性、可塑性良好的粉體；采用湘潭市中山儀器廠生產(chǎn)的SBY-10型手動(dòng)壓片機(jī)在20 MPa下等壓30 min，將原料壓制成φ=13 mmX （1-2） mm的生坯圓片，置于氧化鋁坩堝中，在箱式電阻爐中，由室溫加熱至120℃，恒溫1h，繼續(xù)加溫至500℃，恒溫8h，對(duì)生坯進(jìn)行排塑處理；將生坯置于石墨坩堝中后放入天舟海泰科技有限公司生產(chǎn)的TECHTAL-CQ24-80型真空碳管燒結(jié)爐中，于流動(dòng)的氬氣氣氛下進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，按10℃/min的速率升溫至l400℃，再以5℃/min升溫至1450℃，恒溫30 min后以5℃/min的速率升溫至1900℃，分別恒溫1h、1.5 h、2h后隨爐自然降溫至室溫。

1.2性能測(cè)試

碳灰硅復(fù)合陶瓷樣品性能內(nèi)容測(cè)試如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC復(fù)合陶瓷樣品的XRD分析

圖l為所制備系列SiC+ （Al2O3-MgO-Y2O3）夏合陶瓷的XRD圖譜。從下至上分別為純SiC和保溫時(shí)間分別為1h、1.5 h、2h的陶瓷樣品，其主晶相均為6H-SiC，各衍射峰清晰明銳，結(jié)晶度較高；通過(guò)檢索分析，在2θ角大約為45.026°處，3個(gè)樣品均出現(xiàn)SiO2衍射峰，其中，保溫時(shí)間為1.5 h陶瓷樣品的SiO2衍射峰較明顯；3個(gè)樣品在2θ角大約為33.360°處均出現(xiàn)Y3Al5O12衍射峰，這說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中Y2O3與Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成了Y3Al5O12；保溫時(shí)間為1h，1.5 h的樣品分別在2θ角大約為26.690°，28.795°處出現(xiàn)SiO2衍射峰。

2.2 SiC復(fù)合陶瓷樣品的致密性

將不同燒結(jié)方法燒成的SiC+ （Al2O3-MgO-Y2O3）復(fù)合陶瓷樣品通過(guò)阿基米德排水法獲得體密度和顯氣孔率，結(jié)果表明，保溫時(shí)間1h、1.5 h和2h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品的體密度分別為2.48 g/cm3，2.59 g/cm3和2.32 g/cm3，氣孔率分別為27.67%、20.92%和34.62%。體密度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小，顯氣孔率則呈相反趨勢(shì)。

為了降低樣品的燒失率，均采用粉體埋燒處理。通過(guò)對(duì)系列樣品燒結(jié)前后的質(zhì)量與密度比較，發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)過(guò)程中均存在著一定的質(zhì)量流失。保溫時(shí)間1h、1.5 h和2h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品的質(zhì)量損失分別為0.162 6g、0.150 9g和0.132 4g。隨著保溫時(shí)間的增加，質(zhì)量損失不斷降低，密度則呈先減小后增大的趨勢(shì)。質(zhì)量損失產(chǎn)生的原因可能是由于燒結(jié)溫度過(guò)高，燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)。

2.3 SiC復(fù)合陶瓷樣品的微觀形貌分析

圖2為燒結(jié)溫度為l900℃，保溫時(shí)間從1h增加到2h，燒結(jié)成的碳化硅陶瓷樣品在3000倍時(shí)的SEM掃描圖片，其中a，b，c分別代表1h、1.5 h、2h。保溫時(shí)間為1h時(shí)，晶粒尺寸大小不一，且分布不均勻，存在著孔洞。保溫時(shí)間為1.5 h時(shí)，材料的晶粒表面較光滑無(wú)棱角，孔洞較多，致密性較差。保溫時(shí)間為2h時(shí)，材料的晶粒為長(zhǎng)條狀，棱角分明，晶粒尺寸明顯增大，孔隙較少，致密性良好。

2.4 SiC復(fù)合陶瓷樣品的熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)與分析

保溫時(shí)間1h，1.5 h和2 h碳化硅復(fù)合陶瓷樣品在-100～150℃溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)分別為3.65 X 10-6 K-l，2.48 X10-6 Kl和2.89X10-6 Kl，隨保溫的增加并未呈現(xiàn)線(xiàn)性減小的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以Al2O3-MgO-Y2O3為燒結(jié)助劑，采用無(wú)壓液相燒結(jié)工藝，在氬氣保護(hù)下，分別在不同保溫時(shí)間制備了SiC復(fù)合陶瓷。結(jié)果表明：保溫2h時(shí)，SiC陶瓷主晶相為6H-SiC，且是單相SiC；它的表面光滑，致密性良好，密度較大，所以比較3種保溫時(shí)間，保溫2h為較佳保溫時(shí)間。

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