碳化硅水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究

李佩楓， 盧歡歡

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

引言

碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好良好和抗沖擊等特性。碳化硅主要有四大應(yīng)用領(lǐng)域，即：功能陶瓷、高級(jí)耐火材料、磨料及冶金原料[1]。碳化硅不僅可以增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，還可以利用碳化硅特性定向增強(qiáng)水泥基材料輻射防護(hù)能力[2]。但由于碳化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不參與水泥水化反應(yīng)，碳化硅水泥基復(fù)合材料相關(guān)的報(bào)道并不多。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

首先考慮碳化硅顆粒級(jí)配問(wèn)題，既要滿足水泥骨料級(jí)配要求來(lái)保證試樣強(qiáng)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(chǎn)物反應(yīng)，錨固在水泥中。本實(shí)驗(yàn)采用河北鎬成材料科技有限公司生產(chǎn)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(shí)間、溫度以及環(huán)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(duì)碳化硅動(dòng)力學(xué)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(huì)產(chǎn)生致密牢固的SiO2薄膜，阻止進(jìn)一步的反應(yīng)，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(fā)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(jìn)行5 h高溫氧化處理。最后統(tǒng)一進(jìn)行隨爐冷卻。砂子采用廈門(mén)艾思?xì)W公司生產(chǎn)的ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，1 350 g/袋±5g/袋。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)通用電爐制造有限公司生產(chǎn)的箱式電阻爐，型號(hào)為SX-12-12。JCM-6000plus Neo-Scope 臺(tái)式掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。EDS（Energy Dispersive Spectrometer）X 射線能譜儀進(jìn)行元素分析。雙杠式電動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，加入到水泥中。依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》，按照水灰質(zhì)量比為1∶2，制成標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿試件（40 mm×40 mm×160 m），并在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，溫度標(biāo)準(zhǔn)為20℃±2℃，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95%以上條件下，進(jìn)行28 d 養(yǎng)護(hù)。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(hù)層變得致密均勻。表1 中EDS 能譜分析印證了上述電鏡結(jié)果，900 ℃條件下，由于溫度沒(méi)達(dá)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(dá)到1 000 ℃后，碳化硅開(kāi)始發(fā)生氧化，O 元素重量的提升說(shuō)明顆粒表面的薄膜是SiO2氧化層。故實(shí)驗(yàn)最終選擇1 100 ℃條件下高溫氧化5 h 的碳化硅顆粒，并根據(jù)表2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)配比。

表1 EDS 能譜分析

表2 碳化硅水泥砂漿試件編號(hào)表

2 結(jié)果與討論

2.1 分析數(shù)據(jù)

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(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，先增大后減小。在S 的實(shí)驗(yàn)組中，S-3 相較于空白組抗折強(qiáng)度提高了42.29%，抗壓強(qiáng)度提高了29.04%。在SO 實(shí)驗(yàn)組中，SO-3 相較于空白組抗折強(qiáng)度增加了57.3%，抗壓強(qiáng)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(huì)更好的提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。

表3 未處理碳化硅試件組28 d 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 1 100 ℃、5 h 碳化硅氧化后試件組28 d 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 討論與展望

在合適的摻量下，加入適量的碳化硅顆粒可有效提升水泥砂漿的力學(xué)性能，而加入高溫氧化后的碳化硅顆粒，抗拉抗壓強(qiáng)度提升的效果會(huì)更加明顯，這是由于SiO2薄膜與水泥水化時(shí)析出的Ca（OH）2反應(yīng)，產(chǎn)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(duì)水泥強(qiáng)度的提升做出了貢獻(xiàn)。