炭黑加多加少，對碳化硅性能會造成什么影響？
炭黑加多加少，對碳化硅性能會造成什么影響？
碳化硅家族中有一員叫“反應(yīng)燒結(jié)碳化硅”，它是一種近乎完全致密的工程陶瓷，既能保持碳化硅陶瓷高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損等優(yōu)良力學(xué)性能，同時(shí)還能兼具抗熱震、高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)等熱學(xué)性能、耐酸堿侵蝕等化學(xué)性能，是現(xiàn)代工業(yè)的重要陶瓷材料之一。
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的制備原理
以α-SiC和C為原料，加入適量的粘結(jié)劑進(jìn)行成型和千燥處理，然后放入含有Si的埋料中，當(dāng)坯體在爐內(nèi)受熱時(shí)坯體周圍的Si熔融，滲入到坯體的毛細(xì)管中同坯體中的C反應(yīng)生成SiC。產(chǎn)生的SiC逐漸填充坯體中的孔隙，并把原有的α-SiC連結(jié)起來，最后達(dá)到制品的致密化，并獲得強(qiáng)度。
由此可見，碳化硅的制備過程離不開碳源。碳源的選項(xiàng)有石墨、炭黑、樹脂等，其中炭黑是使用歷史較為長久的一種。在實(shí)際應(yīng)用中，炭黑的用量需講究一個(gè)度，加多加少都會對碳化硅的組織與性能造成極大的影響，因此許多研究員開始對其適宜用量展開了研究。
其中，李連躍等以碳化硅粗粉D50=50μｍ，碳化硅細(xì)粉D50=5μｍ，炭黑D50=1.4μｍ為原料，焙燒硅粒徑3 mm，假設(shè)現(xiàn)生產(chǎn)中采用的配方炭黑加入量為Awt.%，逐漸提高炭黑的加入量至1.15倍A、1.4倍A、2倍A、2.5倍A、3倍A分別配制漿料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果下文小編將進(jìn)行總結(jié)。
01炭黑含量對料漿粘度的影響
坯體一般是采用注漿成型制作，通過加入少量的水溶性有機(jī)組合劑與陶瓷粉體和炭黑構(gòu)成分散性好的水基懸浮漿料，再將漿料注入石膏模具，使料漿固化而獲得具有一定強(qiáng)度的坯體。
制備高固相含量、低粘度、穩(wěn)定性良好的料漿是實(shí)施注漿成型工藝的前提和關(guān)鍵，一般認(rèn)為低于1 Pa·S(1000 MPa·S)的料漿的粘度在注漿成型復(fù)雜部件時(shí)有利于料漿的脫氣、除泡和充模，下圖是炭黑含量對漿料粘度的影響：
炭黑含量對漿料粘度的影響
02炭黑含量對料漿PH值的影響
研究學(xué)者在此點(diǎn)上的試驗(yàn)仍采用正常生產(chǎn)的水溶性組合劑，他們發(fā)現(xiàn)炭黑加入量在一定范圍內(nèi)，pH值均呈堿性。隨著炭黑加入量增加，pH值逐漸增大，料漿顆粒表面電荷增多，Zeta電位增大，顆粒間的靜電斥力增加，料漿更趨于穩(wěn)定。
炭黑含量對料漿pH的影響
03炭黑含量對燒結(jié)體性能的影響
研究員按炭黑不同加入量(Awt.%、1.15Awt.%、1.4wt.%、2Awt.%、2.5Awt.%、3Awt.%)共配置6組漿料，并采用注漿成型方法制備試樣。試樣燒結(jié)后測試每組試樣的抗彎強(qiáng)度和和體積密度，并得出下方關(guān)系圖。
碳含量對燒結(jié)體體積密度的影響
碳含量對燒結(jié)體三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的影響
可以看出，隨著炭黑含量的增加，燒結(jié)體體積密度和抗彎強(qiáng)度逐漸增大，炭黑加入量為2.5A時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)度最大值，燒結(jié)體力學(xué)性能最好。不過當(dāng)炭黑含量過大(3A)時(shí)，燒結(jié)體會出現(xiàn)炸裂，內(nèi)部出現(xiàn)黑色“夾生”區(qū)域。燒結(jié)體體積密度和抗彎強(qiáng)度急劇下降，力學(xué)性能表現(xiàn)最差。
燒結(jié)體對比
炸裂的原因：碳化硅在破碎、制粉、存放中，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下碳化硅表面氧化產(chǎn)生SiO2，并帶入坯體中，當(dāng)坯體中炭黑含量較高時(shí)，引起素坯局部區(qū)域的反應(yīng)燒結(jié)溫度過高，加速了SiO2與碳的還原反應(yīng)，從而使單位時(shí)間內(nèi)氣體（CO、SiO）的排出量增加。
當(dāng)坯體內(nèi)部的氣體還沒有完全排出，而反應(yīng)界面三維方向的滲透孔隙已經(jīng)被新生碳化硅完全填充時(shí)，材料中會存在部分氣孔；而隨著氣體聚集、壓力升高，其頂托作用導(dǎo)致坯體炸裂。
04碳含量對燒結(jié)體顯微結(jié)構(gòu)的影響
下圖所示為碳含量不同各燒結(jié)體試樣斷口SEM照片，各圖中灰色區(qū)域?yàn)樘蓟?，白色區(qū)域?yàn)楣琛?/span>
可以看出，碳含量在A-2.5Awt.%范圍內(nèi)，形成了致密的幾乎無氣孔的材料，它由均勻分布的碳化硅顆粒和游離硅組成。隨著碳加入量的增多，燒結(jié)體中碳化硅含量逐漸增多，碳化硅粒徑有所增大，碳化硅相互聯(lián)接呈骨架狀。但過多的碳含量易造成燒結(jié)體中殘?zhí)嫉某霈F(xiàn)，如f所示。進(jìn)一步增加炭黑增大到3A時(shí)，試樣燒結(jié)不完全，內(nèi)部出現(xiàn)黑色“夾層”。圖g為f的邊緣部位SEM照片，這部分反應(yīng)充分，生成了致密的骨架狀結(jié)構(gòu)；而圖h為f的內(nèi)心部位SEM照片，這部分出現(xiàn)了大量未參與反應(yīng)的殘余碳。
碳與熔融硅反應(yīng)時(shí)，其體積膨脹為234%，這使得反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的顯微組織與生坯中的碳含量密切相關(guān)。當(dāng)生坯中的碳含量較少時(shí)，硅-碳反應(yīng)生成的碳化硅不足以填充碳粉周圍的孔隙，使得試樣中的游離硅數(shù)量較多；隨著生坯中碳的增加，硅-碳反應(yīng)生成的碳化硅便可以充分填充碳粉周圍的孔隙，并將原始碳化硅聯(lián)結(jié)在一起，此時(shí)試樣中的游離硅含量減少，燒結(jié)體密度升高。但是，當(dāng)生坯中的碳較多時(shí)，碳與硅反應(yīng)生成的二次碳化硅迅速將碳粉包圍，使得熔融硅難以與碳粉接觸，造成燒結(jié)體中有殘?zhí)即嬖凇?/span>
資料來源粉體圈
炭黑含量對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅組織與性能的影響，李連躍，孫洪鳴，田素貴，任東琦。
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