SiC多孔陶瓷的低温制备与性能研究

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多孔SiC陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀性、机械强度高等特点,可在高温、高压等恶劣条件下运行。但由于其烧结温度高,制造成本较高,本研究旨在低温制备多孔SiC陶瓷材料。以SiC(40 nm)和SiC(1μm)为主要原料,采用Al2O3-Y2O3-SiO2三元体系作为烧结助剂。研究了造孔剂类型、烧结助剂含量、颗粒级配和石墨烯纳米片(GNPs)等因素对多孔SiC陶瓷材料结构和性能的影响。本文主要研究内容如下:1.研究造孔剂对多孔SiC陶瓷结构和性能的影响。分别以淀粉、鳞片石墨和石墨烯片为造孔剂,固定添加剂量为10 wt%。对试样进行孔隙率、物相成分、结构和力学性能等表征,其中以淀粉为造孔剂制备的多孔SiC陶瓷孔隙率低,孔径大且分布广泛,孔结构间连通性好,机械强度高;以GNPs为造孔剂时,制备的多孔SiC陶瓷具有孔隙率高、孔径小、分布窄、孔结构间连通性好,并且观察到裂纹桥接、拉拔、裂纹偏转等增韧机制。2.研究烧结助剂对多孔SiC陶瓷形貌和性能的影响。分别添加7 wt%、14wt%和21 wt%的烧结助剂,对试样进行孔径分布、物相成分、形貌和力学性能等表征,其中7 wt%和14 wt%烧结助剂的样品孔径呈单峰分布,添加21 wt%烧结助剂的样品孔径呈双峰分布。添加14 wt%和21 wt%烧结助剂的样品中Y2Si2O7和YAG的二次晶相含量较高,同时还能观察到残余的Al2O3晶相。当烧结助剂总掺量为14 wt%时,烧结多孔SiC陶瓷样品的孔隙率为52.69%,抗弯强度可达21.34 MPa,综合性能最佳。3.研究颗粒级配对多孔SiC陶瓷形貌和性能的影响。分别添加0 wt%、15wt%、30 wt%、50 wt%、70 wt%、100 wt%的纳米SiC细粉,对试样进行孔隙率、孔径分布、形貌和力学性能等表征,随着纳米SiC细粉含量增加,样品的抗弯强度呈先增大后减小的趋势。当纳米SiC细颗粒添加量为15 wt%和30wt%时,烧结样品中粗SiC颗粒周围有许多细SiC颗粒,导致孔径变小,小孔径增多,孔径分布变宽。当添加50 wt%和70 wt%的SiC细颗粒时,粗SiC颗粒被细SiC颗粒覆盖,断口表面仅发现少量粗颗粒。大孔径完全被小孔径取代,裂缝表面平整。当SiC细颗粒添加量为100 wt%时,孔隙大小分布均匀,存在许多闭合孔隙。4.研究GNPs掺入量对多孔SiC陶瓷结构和性能的影响。分别添加0 wt%、0.5 wt%、1 wt%、1.5 wt%和2 wt%的GNPs,对试样进行物相成分、形貌和力学性能等表征,当GNPs含量为1 wt%时,多孔SiC陶瓷的抗弯强度达到了23.16 MPa,比未添加GNPs的样品的抗弯强度增加了16.21%,当样品中的GNPs增加到1.5 wt%时,多孔SiC陶瓷材料的抗弯强度明显降低,当GNPs含量进一步增加至2 wt%时,多孔SiC陶瓷材料的抗弯强度仅有轻微下降,GNPs均匀地分散在样品中,并在多个SiC晶粒的晶界处紧密附着在SiC晶粒上,有效地抑制了裂纹的扩展,提高了多孔SiC陶瓷的抗弯强度。
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