聚乙烯醇对SiC泥坯料性能的影响

2014-04-01 06:29:20，，，，

中原工学院学报 2014年1期

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(1.中原工学院，郑州 450007；2.郑州航空工业管理学院，郑州 450015；3.郑州华硕精密陶瓷有限公司，郑州 450001)

碳化硅陶瓷材料因具有密度小、弹性模量大、热导率高、热膨胀系数低、抗热震和氧化性能良好，以及高温强度适中、耐腐蚀性能优异等优点而获得广泛的研究和应用[1-2].其应用领域包括：①可用于高温结构材料，如发动机部件及气轮机叶片、窑炉滚杠、耐火材料等；②由于它的高弹性模量和低密度决定了它有很高的比刚度，可用于航空和航天领域的结构材料；③由于它的热膨胀系数可以与Si、GaAs相匹配，且有半导体特性，因此可用作电子封装材料和制作电子元件；④由于碳和硅具有较低的原子序数，碳化硅陶瓷还可用作原子反应堆的结构材料.

对于碳化硅，目前已开发出来的成型技术有：模压成型、等静压成型、挤压成型、注射成型和流延成型[3].其中，挤压成型因使用的粉料尺寸范围宽而备受关注.国外一些大公司已成熟应用高效连续挤压技术进行生产，然而目前国内该技术尚未稳定和成熟.随着我国各相关领域进一步开放，加快开发具有独立知识产权的碳化硅产品制备技术和提高我国企业的综合竞争能力是当务之急.

目前，碳化硅由于成本问题使其应用受到很大的限制.降低陶瓷材料成本的研究开发将是21世纪陶瓷材料领域面临的最艰巨的任务.其中，连续化、自动化高的挤压成型工艺将是解决这一问题的有力手段之一.

挤出料的塑性决定了工艺的可靠性和烧结制品的品质.本文以聚乙烯醇为塑性剂对挤压碳化硅坯料的一些性能进行了研究，并测试了烘干泥料的气孔率和密度等参数，从而为碳化硅挤压成型工艺的控制提供技术基础.

1 实验材料及实验方法

实验用的碳化硅粉平均粒度为21.380 μm，其粒度分布见图1.塑性剂为聚乙烯醇(S)，和水混合在一起，水用W表示.聚乙烯醇(S)所占重量比例分别为3%、5%、10%，水(W)所占重量比分别为30%、25%、25%，陈腐时间分别为24 h、48 h、72 h.

实验流程如下：

称量SiC粉→加入塑性剂和水的混合物→和泥→陈腐→测塑性→挤压成型→烘干→测量样品干重→将样品放入沸水中煮1 h→测量其湿重和水重→算出密度和气孔率.

利用MS-2000E激光粒度分析仪进行原料粒度分析；利用ACS-15 A型电子秤进行物料称重；利用自制针管式装置进行挤压成型(挤压压力约3～5 MPa)；利用WX-Ⅱ光电液塑限联合测定仪进行泥料塑性测试，同时利用模拟金属拉伸试验的方法进行泥坯料的拉伸，并计算相对伸长率以验证其塑性.泥料成型之后放在烘干设备中在110℃下进行8 h的烘干，为之后测定气孔率和密度做准备.利用水煮法进行密度和气孔率测试，并用托盘天平进行称重.

图1 实验用SiC粉的粒度分布图

2 实验结果及分析

将陈腐[4]时间相同、聚乙烯醇和水不同配比下获得的样品，进行塑限和伸长率测试，将结果绘制在同一张图中，选择陈腐时间分别为24 h、48 h、72 h，如图2—图4所示.将塑限和伸长率较佳的试样进行对比，列于图5中，选出塑限和伸长率最佳时的参数为S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陈腐时间24 h.

将SiC泥料在塑性剂聚乙烯醇(S)作用下，不同陈腐时间的样品的气孔率和密度做对比，从3个陈腐时间中选出较好的配方，如图6—图8所示.将图中的数据再次进行对比，分别得到气孔率最低且密度最高的塑性剂配方，如图9所示.从中选出最佳配方为S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陈腐时间24 h.再将图4和图8进行对比，两者的最佳配方是一致的.