再結晶碳化硅燒結機理及其材料性能改進研究.pdf

1、再結晶碳化硅(RSiC)因其高純度、優(yōu)異的高溫力學性能、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性等而廣泛應用于高溫窯具、冶金及尾氣過濾、熱交換及電熱材料等苛刻領域中。但由于RSiC自身在燒成過程中不產(chǎn)生收縮的特征使得其致密度不高，且氣孔基本為開口連通結構，導致其力學性能和抗氧化能力有限，難以滿足日益發(fā)展的應用需求；并且高性能RSiC的關鍵制備技術仍掌握在國外少數(shù)企業(yè)中，致使價格高昂。綜合近年國內外研究發(fā)現(xiàn)，對RSiC的燒成機制及雜質對其燒成性能的影響等相關研

2、究較少，這些又是與RSiC顯微結構極為相關的因素，進而影響到材料的相關性能，然而其極高的制備溫度(普通RSiC的制備溫度在2200～2450℃)導致對其細致系統(tǒng)研究較為困難。本文在這一大背景下，從RSiC的燒成機制及顯微結構的變化等基本問題出發(fā)，逐步深入到原料雜質的影響機制，進而根據(jù)RSiC在應用中的不足開展其相關性能改善方面的研究。
　　研究了不同粒徑及粒徑組合的SiC壓制體在不同溫度下的再結晶過程，將其顯微結構與其燒結機制、原

3、料粒徑組成、溫度相互關聯(lián)起來，分析了其再結晶機制并提出如何調控顯微結構而優(yōu)化材料性能的方法。研究表明RSiC在低溫下(2350℃以下)以表面擴散、高溫下(2350℃以上)以蒸發(fā)一凝聚為主要傳質機制實現(xiàn)其再結晶；原料的粒徑組成和燒成溫度對RSiC的顯微結構和晶體長大影響很大，單一粒徑組成時晶體長大受溫度影響較小，混合粒徑時顆粒兼并顯著，且隨溫度的升高顆粒兼并能力大幅提高，并造成晶體長大；調整原料粒徑組成、燒成溫度可實現(xiàn)RSiC的氣孔率及孔

4、徑、性能等調控。
　　研究了SiC原料中最常見的雜質SiO2在不同含量及不同溫度下對RSiC在燒成過程中失重、顯微形貌及副產(chǎn)物形貌的影響。在再結晶條件下，SiO2以液相的形式包覆在SiC顆粒表面，并在SiO2/SiC的固液界面上與SiC反應產(chǎn)生氣相SiO(g)和CO(g)產(chǎn)物，SiO(g)在界面進一步促進SiC的分解反應，造成比純SiC再結晶更大的失重；這一過程使SiC在高溫下的主要氣相組成從純SiC的SiC2(g)、Si2C(g

5、)、Si(g)轉變成高SiO(g)和CO(g)分壓的組成，抑制了SiC的有效再結晶氛圍，延長了RSiC正常的燒成時間；分析副產(chǎn)物的生長環(huán)境、形貌及生長速率，從側面證明了失重及形貌分析關于SiO2雜質對SiC再結晶過程影響的合理性。
　　針對目前RSiC致密度和強度不高的現(xiàn)狀，研究了以聚碳硅烷(PCS)為前驅體、聚合物浸漬-裂解法(PIP)和高溫再結晶相結合的循環(huán)處理方法增加具有不同氣孔率的RSiC的致密度。通過預氧化與高溫處理相結

6、合的方法可獲得純度較高的、對RSiC性能無害的SiC產(chǎn)物。用PCS/二甲苯(Xylene)溶液浸漬增密RSiC裂解后可得到結構均勻的材料，但效率較低；以SiC/PCS/Xylene漿料浸漬可大幅提高增密效率，但易形成表面致密、內部疏松的結構；單純的PIP法因裂解產(chǎn)物堵塞導致增密最終致密度有限，而再結晶處理使裂解SiC經(jīng)蒸發(fā)一凝聚過程沉積在初始RSiC上，打開堵塞的孔隙，突破了這一限制，有助于后續(xù)PIP的再開始；最后在商用最好的RSiC基

7、礎上通過3次PIP+再結晶處理成功制備出高密度、高強度的高性能RSiC材料。
　　針對RSiC因開口連通氣孔結構而抗氧化能力不足的缺陷，利用直接熔滲法使MoSi2與SiC復合形成致密材料進行改善。熔滲溫度下MoSi2熔體比較穩(wěn)定，與SiC具有較好的潤濕性和相容性，但仍部分分解，并與SiC反應形成Mo4.8Si3C0.6相；SiC與MoSi2之間的熱膨脹系數(shù)差異較大致使冷卻后材料內部產(chǎn)生裂紋，影響了其力學性能的提高；制備的RSiC-