用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷

剀３ ＲＢｓｃ断面抛光金相显微照片
Ｆ１９．３
Ｌ）ｐｔｌｃａｌ ｔＩｌｌｃｒｏｇｒａｐｈｓ（）ｆ ＲＢＳＣ ｐ。１ｌｓｈ副ｓｅｃｌｌ（）ｎｓ
万方数据
（ｂ１ ｓＥＭ ｐｈｏｌｏｇｒａｐｈ甜ｓ圳Ｐｌｅ Ｎ０４
图１样品Ｎｏ ４断面抛光后金相的显微照片和ｓＥＭ
照片
Ｆｌｇ．４
Ｐｏｌｌｓｈｅｄ ｓｅｃｔｌ（）ｎｓ ｏｐｔｌｃａＩ ｎ、；ｃｒ。ｇｒａｐｈ ａｎｄ ｓｃａｎ
力一旦超过材料的承受强度时，坯体便发生爆裂。
第３４卷第１期 ２ Ｏ ０ ６年１月
硅酸盐学报
ＪＯＵＲＮＡＬ（）Ｆ ＴＨＥ ＣＨＩＮＦＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳｏＣＩＥＴＹ
ＶｏＩ．３ ４，Ｎ（）ｌ Ｊａｎｕａｒｙ，２００６
用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷
武七德１，孙峰１，吉晓莉１，田庭燕２，郝慧１
１．武汉理工大学．畦酸盐材料工程教育部重点实验守，武汉４３００７０；２山东大学 材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室，济南 ２５∞６１）
Ｓｉ（）２（ｓ）＋Ｃ（ｓ）一Ｓｉ（）（ｇ）＋Ｃ（）（ｇ）
（２）
Ｓｉ０（ｇ）＋２Ｃ（ｓ）一ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）
（３）
当反应中气相组分ｓｉｏ，ｃＯ的分压低于ｐ。×ｐ。／
ｐ２＜１０叫时，式（２）的Ｇｉｂｂｓ自由能为明
△Ｇ＝６８８ ５００ ４２０．５８丁（Ｊ／ｍ０１）
温度高于１ ６３８ Ｋ时，ｌ ｍｏｌ ｓ１０。与碳反应释放
２结果与讨论
２．１不同ＳｉＣ含量对材料性能的影响 传统反应烧结ｓｌｃ制备Ｉ：艺是在一定ｓｉｃ中加
入适量含碳物质，利用高温使碳和金属硅反应合成 ｓｉｃ，生成的晶体将预先加入的ｓｉｃ连接起来形成致 密结构”Ｊ。目前，一般认为反应烧结ｓｉｃ的烧结机 理是扩散或溶解凝聚机理”Ｊ。因此，如果反应中预 先加入的ＳｉＣ全部为低纯ＳｉＣ微粉，因微粉粒径小， 粒径分布窄，成型时容易开裂，成划后ｓｉｃ微粉堆积 单一，烧结时难以保证渗ｓｉ所需的毛细管力，ｓｉＣ富 集区易造成气体夹杂。此外．低纯ｓｉｃ微粉杂质多， 比表面积大，氧含量较高，因此ｓｉｃ的用量越大，成 型就越困难且引入的杂质也越多，越小利于素坯的 烧结及烧结体密度和强度的提高。
万方数据
第３４卷第１期
武七德等：用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷
·６ｌ
ｌ实
验
将工业收尘ｓｉｃ（平均粒径为３．５“ｍ）尾粉，高 纯石油焦（ｄ”一１４．６“ｍ），实验室自制添加剂（玉米 淀粉、分子量≥３ｘ１０６的聚丙烯酰胺，按坯体成型要 求适度加入碳）及粘结剂（质量分数为１０％的聚乙
烯醇溶液）按一定比例球磨、干燥，造粒后压制成型。 在Ｎ。保护下按传统反应烧结ｓｉｃ方法烧结，升温平 均速率为１８０℃／ｈ，（１ ６５０±５０）℃保温２ ｈ。经化 学分析低纯ｓｉｃ尾粉的主要元素Ｓｉ，Ｃ，Ｏ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｃａ 的相对质量分数为６８．４０７％，２９．２３９％，２．１４１％， ｏ．２２４％．ｏ．０３５％，ｏ．０４８％。引入不同量酸洗和未 酸洗ｓｉｃ微粉制得的材料的性能见表１。
ｐｏｗｄｅｒｓ．
ｏｆｌｍｐｌｌⅢ１…）ｆ Ｔ１１ｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇｒａｌｎ ｓｌｚｃ ｏｆ Ｌ１】。ｐｏｗｄｅｒ】ｓ ３．５＂ｍ ｌ、ｈｅ ｌｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｐｏｗ山ｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｅ¨ａＩ。ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｆｔｌｅ８
ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ“）ｍａｔｃｎａｋ ｐｒ印ａｒｅｄ州ｔｈ ｐｕｎｆｙｌｎｇ ｐｏｗｄｔｒ ｂｙ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏ¨ｃ ａ虬ｄ Ｔｈ ＩＩＬＩｃ ｒｏ乱ｒｕｃｔｕｒｅ
ｒｅ ａ１１ｄ Ｈｅ ｒ列Ｉ‘ｙ（】ｆ Ｍｌｎｋ【ｒｙ Ｅｄｕｃａ¨ｏｎ，
Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｊｖｅｒｓｌ‘ｙ·Ｊｌｎａｌｌ ２ｊ００６１，Ｃｈｌｎａ）
ｃａｒｂｌｄｅ（ＲＲＳ（：）ｃｃｒａｎｌｌ刚ｅｒｅ Ａｂｓｔｒ｛Ｉｃｔ：Ｒｅａｃｔｌｏｎ—ｂ（ｍｄｃｄ ｓｌＪ Ｌｃ。ｎ
Ｓｌ（：叫ｒｏ ｐｒｅｐａ ｒｅｄｗｌｔｈｉｎｄｕ“ｒ Ｌａｌ ｓｃｆａｐｓＩｏｗ ｐＬｌｍｙ
ｃａｒ｝）ｌｄｃ（ＲＢＳ【：）ｗ ｌ（）ｗ Ｄｕｒｅ ＳＩ（：ｃ（）ｎｔｅｎｔ
不完全而残存较多游离碳（ｆ。），ｆ。易出现在ｓｉｃ聚 集区域，大大降低材料的密度和强度。随ｓ·ｃ含鼍 的增加，石油焦的用量减少，反应更加充分。实验表 明：在丰Ｈ同的烧结制度下，反应烧结所需的初始ｓｉｃ 全部采用低纯Ｓｉｃ微粉，当质量分数为７２％叫，其强 度达到（ｄ４ｌ±１０）ＭＰａ．此时烧结体中未发现残碳， ＆Ｃ晶粒和游离硅（ｆ。．）相分布较均匀，ｆ。基本成连续 网状分布，但仍有个别较大的硅斑，因而制约样品强 度的进一步提高，此时材料的烧结密度约为（３．１ｌｊ＿ ０．０１）ｇ／ｃｍ３。观察该材料断面ＳＥＭ照片，Ｓ１（：晶粒 的结晶程度较好，晶体尺寸较均匀，不存在明显气孔。
ｗｔｔｈ ｏｔｈｅｒ ｒａｗ ｍａｔｅｌ
ｒ】ａｌｓ ａｎｄ ｒｅｌｃａｓｅｄ ｇａｓ ａｔ ｈｌｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ Ｔ｝１ｅ ｓＩｎｔｅｒｅｄ ｄｅｎｓｌｌｙ（）ｆ ｔｈｃ ｍａＬｅｆｌａｌ ｍａｄｅ ｏｆ ｌｏｗ ｐｌ】ｒｌｔｙ Ｓ１Ｃ ｌｓ（３ １５＝０ ０１）ｇ／ｃｍ。
ｆｌⅢｒａｌ ａｎｄ ｔｈｅ
ｓＩｒｅｎＥｔｈ １ｓ（ｄ ４】±１０）ＭＰａ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍＤｅｒａｔｕｒｃ
Ｋｅｙ ｗｏ州ｓ：ｓｌｎｃｏｎ ｃａｒｈＩｄ。；ｒｅａｃＬｌ。１１ ｂｏｎｄｅｄ；ｍｌｃｒ（）ｓｔｒｕｃｔｕｒｃ
反应烧结碳化硅（ｒｅａｃｔｉｏｎ＿ｂｏｎｄｅｄ ｓ１Ｉｉｃｏｎ ｃａ卜 ｈｉｄｅ，ＲＢｓｃ）具有反应温度低且时间短，可近净尺寸 烧结，可烧结复条形状制品等优点，自５０年代发明 以来就得到人们的广泛关注”。３］。但是，传统反应烧 结Ｔ艺中所需两ｃ原料的纯度较高，因而其制备能 耗高，环境污染严重，生产成本大。目前，国内ｓｉｃ 生产厂家每年都囤积大黾的收尘尾粉。网尾粉的牲 度细，杂质含量高，成分波动大阻碍１ｒ它的进一
ｂｙ黜Ｉｍｍｇ ｅｌｅｃｆｒｏ㈣ｃ㈣ｃｅ）ｐ㈨ｊｄ ｏｆ ｓＩ】￡ｃｏｎ ｃａｒｂｌｄｅ ｃｃｒａｎＩｉｃｓ ｗａｓ Ｉｎｖｅｓｔｔｇａｔｅｄ
ｏ阱ｌｃａ】ｍ￡ｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ ｒｃｓｕｈｓ ｓ｝、ｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｍｅｔａｌｌｌｃ（）ｘＩｄ㈣ａｃＬｅｄ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ Ｌ１１ｅ ｎｌａｔｅｒｌａｌ’ｓ ｍｅｃｈａｎｌｃａＩ ｐｒｏｐｅｒｔｌｅｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｅｘｃｌｕｄｌｎｇ Ｓ１０２，ａｎｄ ｔｈｅ
收稿日期：２００ｊ—０６—１５。修改稿收到日期：ｚ００５—１０一ｌｏ 第一作者：武已德（１ ９ｔ９～），男．教授。
Ｒ戗ｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２∞５—０６ １ｊ．Ａｐｐｒｏｖｅｄ ｄａｔｅ：２００５ １０ １０ Ｆｉｒｓｔ ａ砒ｈｏｒ；ＷＵ Ｑ１小（１９４９ ）．ⅢａＩ｝＋ｐｒｏｆｅ３ｓｏＬ Ｅ—ｍｎｉ－：Ⅵ１ｑＩｆｋ＠ｎｌａｌｌ．ｗｈｕｔ ｅｄｕ ｃｎ
扫）Ｏｐ“蒯卅Ｊｃｒｏｇｍｐｈ ０ｆ鞭ｍ—ｅ№４
图２低纯ｓ·Ｃ微粉含量与ＩｔＢｓｃ密度 Ｆｌｇ．２ Ｄｅｎｓｌ‘ｙ（）ｆ ＲＢＳＣ Ｕ５】ｏｗ ｐｕｒｃ ＳｌＣ ｃｏｎｒｅ Ｔ１ｔ
汹０ｐｃｌｃａｌ ｍｉｃ“蟛ｒ８ｐｈ㈣ｔｈ ａ ｆ神ｈ础ｃ∞
（ｂ】０ｐ｝Ｉｃｄ埘ｃｍ茚叩ｈｓ ｗｊｍ １１１鹅ｅｒ ｈｃ ｓｉ幢）
２ ｍｏｌ气体。温度为ｌ ６８３ Ｋ时，将发生主反应
Ｓｉ（ｓ）＋Ｃ（ｓ）一ＳｉＣ（ｓ）
（４）
反应式（４）为强放热反应，温度升高使反应式（２）
的平衡常数增大，ｃＯ等气体的体积急剧增大，此时
坯体表层已经生成具有一定强度的ｓｉｃ材料壳层。
采用ｓｉｃ细粉烧结时，坯体较密实，气体通路狭窄，
气体的快速逸出使坯体内部产生很大应力，内应
度下降。
２．２低纯ｓｉｃ微粉中杂质对材料性能的影响
低纯ｓｉ（：微粉的杂质主要是石墨化碳物质、
ｓｉＯ：和金属氧化物。只要有合适的外加剂，石墨化
碳物质对材料制备的影响不大。但是，直¨果Ｓｉｃ表 面ｓｉＱ的含量较高且存在较多的食属氧化物，它们
均在高温Ｆ与石油焦及ｓｊ（’发生产气反应，气体量
足够大时会影响反应中的渗硅过程，使烧结体中的 气孔率增加甚至使坯体开裂，破坏材料的显微结构，
摘要：用工业崖料坻纯ｗ３．ｓ ｐｍ ｓｔｃ擞粉为原料，在№保护下娆结碳化硅（ｓ，ｔ、）陶瓷。研究了低纯ｓｌｃ徽粉中杂质对蜀ｃ陶瓷力学性能的 影响，对比了徽粉提纯后材料的性能‘』结构。通过扫描电镜、金相显馓镜分析材料的显微结构。结果表明：微粉杂质中ｓｔ魄、金属氧化物在 ＆ｃ烧结温度下的放气反麻是影响陶瓷材料力学性能的主耍目素。由低纯ｓ·ｃ材制得的材料的烧结密度达到（３．１ ５士ｏ ０１）ｇ／ｃｍ３，抗折强度 达到（ｄｄｌ±１０）ＭＰａ。
硅酸盐学报 用低纯ｓｉｃ微粉制备ｓｉｃ陶瓷，烧结体密度随 ＳＩＣ用量的变化规律如图２所示。图３为ＲＢＳＣ断 面抛光金相显微照片。圈４为样品Ｎｏ．４断面的 ｓＥＭ照片和抛光后的金相显微照片。由图２可见： ｓｊｃ占６５％时，密度出现最大值为（３．１５±ｏ．０１）ｇ／ ｃｍ３，对应素坯的碳密度为ｏ．８８ ｇ／ｃｍ。，高于用高纯 ｓｉｃ微粉制备反应烧结ｓｉｃ时的理论计算用量。一，
（１．Ｋｅｙ Ｉ，ａｂ（）ｒａｔｕｒｙ ｆｏｒ Ｓ１１Ｌｃａｔｅ ＭａｔｅｍＩｓ ｓｃ Ｌｃｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｍｌｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｌｏｎ，Ｗ１ｌｈａｎ Ｕｎｌｖｃｒｓｌｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ
ＳｔⅢＬｕ ＷｕＩ、ａｎ ４３００７０；２．Ｋｅｙ Ｌａｂ。ｒａｔｏｒｙ ｆ０１ Ｉ．１ｑｕｌｄ
ＴａＭｅ ｌ
表１酸洗与未酸洗ｓｉｃ微粉性能的比较
ＣｏＩｎｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ＳｉＣ ｐｏｗｄｅ幅ｗｉｔｈ ａ美国ＭＴｓ一８ｌｏ陶瓷测试系统以三点弯曲 法测试陶瓷样品章温强度（试样尺寸为３ ｍｍｘ ４ ｍｍ×３８ ｍｎｌ．跨距为３０ ｍｎｌ，加载速率为Ｏ．５ ｍｍ／ ｍｉｎ）。用闰产４ＸＡ金相显微镜和日本产ＪＳＭ ５６１０ＬＶ扫描电子显微镜（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅＩｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏ— ｓｃｏｐｅ，ｓＥＭ）分析样品断面的盟微结构。用Ａｒｃ¨ ｍｅｄｅｓ法测试烧结体及蹦（：素坯的密度。