烧结助剂对SiC耐磨材料结构和性能影响的研究

论文摘要

SiC陶瓷具有高温强度大、耐磨损性好、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，被广泛应用于精密轴承、热交换器部件及原子核反应堆材料等。但由于SiC的共价键很强，导致其高温扩散系数相当低，在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10cm2/s和2.5×10-13cm2/s，难以烧结致密，这大大增加了SiC陶瓷的制备难度，使其大批量生产受到了限制。因此，在对SiC陶瓷的各项性能影响尽可能小的条件下，最大程度地降低烧结温度是目前研究的主题。本论文首先以紧密堆积理论为基础，设计出了制品密度最大时三组分理想球状颗粒的级配组成。结合颗粒级配组成理论，通过对AlN-Y2O3烧结助剂、Al2O3-Y2O3烧结助剂、粘土烧结助剂的优化及种类和配比的探讨、烧结温度的调节、抗氧化剂最佳添加量的确定等，无压烧结制备出了SiC耐磨材料。通过对制备材料的密度、硬度、抗弯强度、耐磨性的测试分析以及利用X射线衍射和扫描电镜对材料的微观结构分析可知，颗粒级配的设计能够得到最大的堆积密度及堆积颗粒间最短的距离，制品在烧结过程中有利于扩散传质的进行，降低致密化所需的能量。合适的烧结助剂种类、用量及配比在烧结过程中形成液相，对烧结体系的活化具有积极的促进作用，使颗粒之间重新排列，减少了烧结体中的气孔率，促进致密化进程和颗粒与颗粒之间的黏连作用，提高SiC耐磨材料的综合性能和降低烧结温度；抗氧化剂能有效减少SiC的氧化，提高基体的性能。通过大量的试验及对SiC耐磨材料力学性能和显微结构的分析可知，在空气气氛中于1500℃下保温3h烧成，当SiC的颗粒组成为直径比D粗:D中:D细=4:3:1，质量比m粗:m中:m细=17:7:1，添加配比为30:70、添加量为8%的AlN-Y2O3烧结助剂，4%的钙长石，0.4%的B4C和2.5%的金属硅时，制备的SiC耐磨材料的耐磨性能最优，磨损量为0.0075g/min、密度为2.776g/cm3、吸水率为2.6%、硬度为2710HV、抗折强度为162MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 碳化硅及碳化硅的主要性能
• 1.2 碳化硅陶瓷的应用
• 1.2.1 磨具
• 1.2.2 高温耐蚀部件
• 1.2.3 磁力泵泵件
• 1.2.4 防弹板
• 1.2.5 研磨介质
• 1.3 碳化硅陶瓷的烧结
• 1.3.1 无压烧结
• 1.3.2 热压烧结
• 1.3.3 热等静压烧结
• 1.3.4 反应烧结
• 1.3.5 评述
• 1.4 本论文研究的内容和目的意义
• 1.4.1 论文研究的主要内容
• 1.4.1.1 粒度组成的研究
• 1.4.1.2 添加剂的研究
• 1.4.1.3 烧结温度的确定
• 1.4.1.4 结构与性能的研究
• 1.4.2 论文研究的目的和意义
• 第二章 试验方法
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 实验仪器及检测方法
• 2.2 制备工艺
• 2.2.1 称量
• 2.2.2 混料
• 2.2.3 压制成型
• 2.2.4 烧结
• 2.3 性能检测
• 2.3.1 密度的测试
• 2.3.2 抗折强度测试分析
• 2.3.3 抛光
• 2.3.4 硬度测试
• 2.3.5 吸水率测试
• 2.3.6 摩擦磨损的测定
• 2.3.7 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.8 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 第三章 碳化硅粒度组成研究
• 3.1 SiC 颗粒级配的设计与计算
• 3.1.1 单组分颗粒级配
• 3.1.2 双组分颗粒级配
• 3.1.3 三组分颗粒级配
• 3.1.3.1 小颗粒球体与立方体面上的相邻球相切
• 3.1.3.2 小颗粒球体与中颗粒球体相切
• 3.2 粒度选择
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 颗粒级配对 SiC 耐磨材料密度和吸水率的影响
• 3.3.2 颗粒级配对 SiC 耐磨材料硬度和强度的影响
• 3.3.3 颗粒级配对 SiC 耐磨材料耐磨性能的影响
• 3.3.4 微观组织分析
• 本章小结
• 第四章 添加剂的研究
• 4.1 烧结助剂对 SiC 耐磨材料结构和性能的影响
• 2O₃-Y₂O₃烧结助剂'>4.1.1 Al₂O₃-Y₂O₃烧结助剂
• 4.1.1.1 SiC 耐磨材料烧结体的物相组成
• 2O₃-Y₂O₃的配比对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响'>4.1.1.2 Al₂O₃-Y₂O₃的配比对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响
• 2O₃-Y₂O₃的添加量对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响'>4.1.1.3 Al₂O₃-Y₂O₃的添加量对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响
• 4.1.2 黏土烧结助剂
• 4.1.2.1 黏土烧结助剂对 SiC 耐磨材料力学性能的影响
• 4.1.2.2 黏土烧结助剂对 SiC 耐磨材料显微结构的影响
• 2O₃烧结助剂'>4.1.3 AlN-Y₂O₃烧结助剂
• 4.1.3.1 烧结体的物相组成
• 2O₃的配比对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响'>4.1.3.2 AlN 与 Y₂O₃的配比对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响
• 2O₃的添加量对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响'>4.1.3.3 AlN-Y₂O₃的添加量对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响
• 4.1.4 烧结助剂的确定
• 4.1.5 钙长石对 SiC 耐磨材料性能与结构的影响
• 4.1.5.1 烧结体的物相组成
• 4.1.5.2 钙长石的加入量和温度对SiC耐磨材料力学性能的影响
• 4.1.5.3 钙长石的加入量和温度对 SiC 耐磨材料显微结构的影响
• 4.2 抗氧化剂对 SiC 耐磨材料的影响
• 4.2.1 烧结体的物相组成
• 4.2.2 B4C 的加入量和温度对 SiC 耐磨材料力学性能的影响
• 4.2.3 B4C 的加入量和温度对 SiC 耐磨材料显微结构的影响
• 4.3 BN 部分替代 AlN 对 SiC 耐磨材料的影响
• 4.3.1 烧结体的物相组成
• 4.3.2 BN 替代 AlN 的量对 SiC 耐磨材料性能的影响
• 4.4 金属硅对 SiC 耐磨材料的影响
• 4.4.1 烧结体的物相组成
• 4.4.2 金属硅对 SiC 耐磨材料性能的影响
• 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历