SiC颗粒含量和粒径对层状结构陶瓷致密度的影响

解玉鹏,王显德,赵国明

(吉林化工学院,吉林吉林 132022)

SiC颗粒含量和粒径对层状结构陶瓷致密度的影响

解玉鹏∗,王显德,赵国明

(吉林化工学院,吉林吉林 132022)

将碳化硅(SiC)颗粒加入到晶须浆料中,能够有效提高固相含量,提高层状结构陶瓷的致密度。通过研究SiC颗粒含量和粒径对层状结构陶瓷致密度的影响,分析其作用机理。结果表明:当SiC颗粒粒径为0.5μm时,致密度随颗粒比例增加而提高,晶须与颗粒的比例为3 1时达到最大值,为2.367 g·cm-3。当SiC颗粒粒径由0.5μm增加到40μm时,层状陶瓷的致密度逐渐增加。

SiC;含量;粒径;层状结构陶瓷;致密度

碳化硅(SiC)陶瓷由于其高强度、高硬度、耐高温、抗腐蚀等优异的性能而具有广泛的应用前景[1-3]。但SiC陶瓷固有的脆性导致其制品可靠性差,严重制约其作为结构材料的发展和应用[4-7]。SiC陶瓷材料的强韧化一直是近年来陶瓷材料研究的核心问题之一。受珍珠结构启发,材料科学工作者制备的层状结构陶瓷材料表现出良好的强韧性,是很有发展潜力的结构陶瓷材料之一[8,9]。

采用等温化学气相渗透(Isothermal Chemical Vapor Infiltration,ICVI)结合流延法(Tape Casting, TC)制备SiC晶须(SiCw)/SiC层状结构陶瓷,能够有效减少制备过程中高温对增强体的损伤,并且大幅度提高增强体的含量[10]。但由于晶须薄膜预制体中晶须间搭接孔洞较大,后续的CVI工艺无法将所有大孔洞填充满,因此材料的性能受到严重制约。众所周知,颗粒粒径尺寸较小且形状规则,可有效填充尺寸合适的孔洞[11-14]。因此,将SiC颗粒引入到预制体中,改善层状结构陶瓷的致密度,以期提高材料的性能。

文章中主要研究颗粒含量和粒径等对层状结构陶瓷致密度的影响。

1 实验过程

1.1 原料

文章中所用SiCw为美国Alfa Aesar公司生产,平均直径为1.5μm,平均长度为18μm。无水乙醇和甲乙酮为溶剂,磷酸三乙酯为分散剂(TEP),聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂,丙三醇和邻苯二甲基二辛酯为增塑剂,正丁醇和乙二醇为除泡剂。

为了方便的研究颗粒对此种层状陶瓷的影响,选取晶须和颗粒粉体的总体积分数为30%。为了探索比较合适的配比,首先以粒径为0.5μm的SiC颗粒为代表,选择SiCw SiCp=7 1,5 1,3 1和2 1这4种比例进行研究。然后确定合适的配比,进而研究不同粒径的SiC颗粒(0.5 μm,1.5μm,10μm,40μm)对层状陶瓷致密度的影响。

1.2 性能测试

采用阿基米德排水法测试试样的体积密度和开气孔率。

2 结果与讨论

2.1 SiCw和SiCp配比对致密性的影响

选取颗粒粒径为0.5μm的SiC颗粒与晶须共同作为增强体,共选择了5种,配比依次为纯晶须(pure),7 1,5 1,3 1和2 1(SiCw SiCp),制备层状陶瓷,其密度和开气孔率随增强体的变化如图1所示。由图可知,颗粒的引入能够有效提高层状陶瓷的密度,降低开气孔率。如图中曲线所示,材料的密度随着颗粒含量的增加而呈现先增加后减少的趋势,材料的开气孔率呈现与之相反的规律。与纯晶须增强层状陶瓷相比,晶须与颗粒的配比分别为7 1,5 1,3 1和2 1时的密度分别增加了1.6%,2.5%,3.4%和2.7%。当晶须与颗粒配比为3 1时层状陶瓷的密度最大,为2.367 g·cm-3。

图1 增强体比例与致密度的关系

晶须由于长径比的存在,晶须之间相互搭接容易产生大小不一的孔隙,不利于材料的致密化。少量的0.5μm粒径颗粒的引入能够在有效填充晶须间的小孔隙的同时与其中的晶须相配合来致密化材料,因此增强体配比在7 1和3 1之间时,材料的密度呈增加趋势。当增强体配比为2 1时,颗粒含量增多,晶须含量有所减少,一方面颗粒填充小孔隙以提高密度,另一方面其与晶须配合不足引起密度的相对降低,因此此种配比下材料的密度低于增强体配比为3 1时材料的密度。从致密性的角度讲,后续工作重点集中在增强体配比为3 1时材料的结构与性能。

2.2 SiC颗粒粒径对致密性的影响

固定SiCw SiCp=3 1,选择4种(0.5 μm,1.5μm,10μm和40μm)不同粒径大小的SiC颗粒与晶须混合为增强体制备层状陶瓷。其密度和开气孔率随颗粒粒径的变化如图2所示,其中,pure代表没有加颗粒的纯晶须增强体。由图可知,不同粒径颗粒的引入均能够有效提高层状陶瓷的密度,降低开气孔率。如图中曲线所示,材料的密度随着颗粒粒径的增加而增加,同时开气孔率呈现与之相反的规律。与纯晶须增强体的层状陶瓷相比,颗粒粒径分别为0.5μm、1.5μm、10μm和40μm时层状陶瓷的密度分别增加了3.4%、4.2%、7.0%和7.7%,且当颗粒粒径大于10μm时,材料的密度有一个大幅度的提升。

图2 颗粒粒径与致密度的关系

当颗粒粒径为0.5μm和1.5μm时,晶须之间存在的小孔隙容易被颗粒填充,且粒径相对较大的颗粒更容易将孔隙填充至较致密的状态,因此颗粒粒径为1.5μm的层状陶瓷的密度相对较大,开气孔率相对较低。当颗粒粒径为10μm和40μm时,晶须之间存在的大孔隙容易被颗粒填充,且会将小孔隙封闭为闭气孔。同时由于这两种大粒径颗粒的存在,材料的密度有较大幅度的提升,它们的开气孔率与另两种小粒径颗粒相比有所降低。因此,颗粒的粒径越大,越有利于提高材料的致密度,降低材料的开气孔率。

3 结 论

文章中主要讨论颗粒含量和粒径对层状结构陶瓷致密度的影响,主要结论如下:

(1)致密度随增强体比例的变化而变化。与纯晶须增强体的层状陶瓷相比,晶须与颗粒的比例分别为7 1,5 1,3 1和2 1时的密度分别增加了1.6%,2.5%,3.4%和2.7%。当晶须与颗粒的比例为3 1时,层状陶瓷的密度最大。

(2)致密度随颗粒粒径的增加而增加。与纯晶须增强体的层状陶瓷相比,颗粒粒径分别为0.5μm,1.5μm,10μm和40μm时的密度分别增加了3.4%,4.2%,7.0%和7.7%,且当颗粒粒径大于10μm时,材料的密度有一个大幅度的提升。

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Effects of SiC Particle Content and Size on Density of Lam inated Structural Ceram ics

XIE Yu-peng,WANG Xian-de,ZHAO Guo-ming
(Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin 132022)

Solid phase content and density of laminated structural ceramics can be increased by introducing SiC particles into whisker slurry.Effects of SiC particle content and size on density of laminated structural ceramicswere investigated,and the mechanisms were studied.The results showed that the density of laminated ceramics increased with increasing particle content,as the size of SiC particles remained to 0.5μm.When the ratio of reinforcementswas changed to SiCw SiCp=3 1,the highest density obtained with 2.367 g·cm-3. When the size of SiC particles changed from 0.5μm to 40μm,the density of laminated ceramics increased gradually.

SiC;content;particle size;laminated structural ceramic;density

TG 174.44

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.001

1007-2934(2015)06-0001-03

2015-08-03

吉林省教育厅科学研究资助项目(2015437);吉林化工学院校级项目(2015053);吉林化工学院校级博士启动项目(2015129)

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