重结晶碳化硅凝胶注模成型工艺及其性能研究 原创学术论

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1、重结晶碳化硅凝胶注模成型工艺及其性能研究*国家973基金资助项目（G2000067204-01）易中周：男，1965年生，副教授易中周谢志鹏黄勇马景陶（云南蒙自师范高等专科学校）(清华大学材料科学与工程系）摘要：本文研究了重结晶碳化硅高温材料的凝胶注模成型。着重讨论了SiC粉体的分散性、悬浮体的流变性、沉降行为以及烧结机理。结果表明，选用适量的分散剂TMAH调整浆料pH=11.9附近可制备出固相体积分数高达70Vol.%的SiC浓悬浮体。沉降实验表明，该浓悬浮体中粗细SiC颗粒间能达到均一稳定的分散，悬浮粒子不会产生明显地沉降。凝胶注模成型

2、所得坯体在2450℃，氩气氛中烧结后可获得重结晶碳化硅高温材料，其体积密度为2.52g.cm-3，对应的抗弯强度为55.4MPa。关键词：凝胶注模成型；重结晶碳化硅(R-SiC)；流变性；沉降行为91引言凝胶注模成型(Gelcasting)技术是由美国橡树岭国家实验室M.A.Jenny和O.O.Omatete教授等人[1-2]首先发明的一种陶瓷净尺寸成型技术，是九十年代以来出现的一种最新的胶态成型工艺。该法是将陶瓷粉料分散于含有有机单体和交联剂的水溶液中制备出低粘度高固相体积分数的浓悬浮体，然后加入引发剂和催化剂，陶瓷粉料中的有机单体在交联

3、剂、引发剂和催化剂的共同作用下，可以形成相互交联三维网状结构的高聚物，使浓悬浮体形成凝胶而原位固化，从而获得密度高、均匀性好、强度高的坯体。目前凝胶注模成型技术已广泛地应用于Al2O3、ZrO2、SiC、AlN、Si3N4等氧化物或非氧化物的精密陶瓷体系[3-6]。对于粒径分布较宽的含有粗颗粒粉体的耐火材料成型目前大都采用注浆法、干压、等静压等成型技术，凝胶注模成型技术在成型高温材料方面的研究报道甚少。本文通过对含有粗颗粒碳化硅（~250mm）的浓悬浮体的流变性、粉体的分散性和沉降实验等的研究，以期9制备出高固相体积分数、低粘度，又具有良好

4、稳定性和流动性的碳化硅浓悬浮体，并浇注出形状复杂、均匀致密、高强度的坯体；在2450℃，氩气氛中进行烧结后获得重结晶碳化硅高温材料，并测试分析坯体和烧结体的性能、烧结机理及显微结构特点。2实验方法2.1原料和试剂本实验所用碳化硅粉由沈阳星光陶瓷有限公司提供，原料是由碳化硅的粗粉与细粉采用合理级配混合处理而得，其颗粒的粒径分布范围为0.2-250mm，d50值为2.5mm，主要杂质有Si、O、C及微量Fe，表1示出SiC粉体的化学成分。表1SiC粉体的物化特性d50µmSiCwt.%Siwt.%Owt.%Cwt.%Feppm2.5>980.2

5、61.170.35520在凝胶注模成型过程中使用的有机单体为丙烯酰胺,C2H3CONH2(AM)，胶联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺,(C2H3CONH)2CH2(MBAM)，采用过硫酸铵((NH4)2S2O8)作引发剂和N,N,N’,N’-四甲基乙二铵(TEMED)作催化剂，分散剂为四甲基氢氧化铵(简称TMAH)。所有试剂均为分析纯。2.2工艺流程实验中重结晶碳化硅的凝胶注模成型工艺流程如图1所示。首先将碳化硅粉体分散到由AM和MBAM按一定比例配成的预配液中，采用分散剂TMAH调整浆料pH值为11.9±0.2，机械搅拌1h后即可得到流动

6、性较好的低粘度的浓悬浮体。加入少量引发剂和催化剂后立即注模，在60~80℃烘箱中凝胶化得到坯体，干燥到一定程度后排胶烧结可获得重结晶碳化硅高温材料。与其它精密陶瓷的凝胶注模成型工艺不同之处是在实验过程不需要球磨这一环节[7]。这是因为SiC粉体颗粒尺寸较大，分布范围较宽，因此，颗粒之间不会产生团聚，在机械搅拌混合下就可达到均匀分散。2.3试样性能测试碳化硅粒径分布是采用美国BI-XDC粒度分析仪测试；采用Zetaplus(BrookhavenInstrumentsCorp,USA)测定碳化硅在有机单体介质中的Zeta电位；流变性使用德国MC

7、R300高级扩展式旋转粘度仪测试，剪切速率在0.1-250s-19范围内。体积密度是根据阿基米德原理采用压汞法对试样进行测试。利用SJ-IA三轴剪力仪采用三点弯曲梁法测量试样的抗弯强度，试样尺寸为36mm×6mm×5mm，跨距为30mm，加载速度为0.2mm/min。采用日本S-450扫描电镜观察烧结体的断口形貌。图1R-SiC凝胶注模成型工艺流程有机单体溶液分散剂SiC粉体SiC悬浮体注模凝胶化脱模、干燥排胶与烧结引发剂催化剂3结果与讨论3.1碳化硅悬浮体的胶体分散特性Zeta电位是反映粒子胶态行为的一个重要参数，粒子表面荷电基团的微小变

8、化将引起粒子Zeta电位的改变。它可有效表征不同pH值条件下悬浮体中SiC颗粒相互排斥能，因此可通过对悬浮体中悬浮粒子Zeta电位的测定来确定浓悬浮体的最佳pH值和表征分散剂的作