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碳化硅
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炭黑加多加少,對碳化硅性能會造成什么影響?

文章出處:粉體圈網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2019-02-16 11:49:00【
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“反應燒結碳化硅”,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度、高硬度、耐磨損等優良力學性能,同時還能兼具抗熱震、高熱導率、低膨脹系數等熱學性能、耐酸堿侵蝕等化學性能,是現代工業的重要陶瓷材料之一。
 
反應燒結碳化硅的制備原理
  以α-SiC和C為原料,加入適量的粘結劑進行成型和千燥處理,然后放入含有Si的埋料中,當坯體在爐內受熱時坯體周圍的Si熔融,滲入到坯體的毛細管中同坯體中的C反應生成SiC。產生的SiC逐漸填充坯體中的孔隙,并把原有的α-SiC連結起來,最后達到制品的致密化,并獲得強度。
由此可見,碳化硅的制備過程離不開碳源。碳源的選項有石墨、炭黑、樹脂等,其中炭黑是使用歷史較為長久的一種。在實際應用中,炭黑的用量需講究一個度,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,碳化硅細粉D50=5μm,炭黑D50=1.4μm為原料,焙燒硅粒徑3 mm,假設現生產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分別配制漿料進行實驗,實驗結果下文小編將進行總結。
 
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組合劑與陶瓷粉體和炭黑構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度的坯體。
制備高固相含量、低粘度、穩定性良好的料漿是實施注漿成型工藝的前提和關鍵,一般認為低于1 Pa·S(1000 MPa·S)的料漿的粘度在注漿成型復雜部件時有利于料漿的脫氣、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
  研究學者在此點上的試驗仍采用正常生產的水溶性組合劑,他們發現炭黑加入量在一定范圍內,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,料漿更趨于穩定。
炭黑含量對料漿pH的影響
 
03炭黑含量對燒結體性能的影響
  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。試樣燒結后測試每組試樣的抗彎強度和和體積密度,并得出下方關系圖。
碳含量對燒結體體積密度的影響  
碳含量對燒結體三點抗彎強度的影響
 
 
  可以看出,隨著炭黑含量的增加,燒結體體積密度和抗彎強度逐漸增大,炭黑加入量為2.5A時出現了強度最大值,燒結體力學性能最好。不過當炭黑含量過大(3A)時,燒結體會出現炸裂,內部出現黑色“夾生”區域。燒結體體積密度和抗彎強度急劇下降,力學性能表現最差。
燒結體對比
 
  炸裂的原因:碳化硅在破碎、制粉、存放中,在標準大氣壓下碳化硅表面氧化產生SiO2,并帶入坯體中,當坯體中炭黑含量較高時,引起素坯局部區域的反應燒結溫度過高,加速了SiO2與碳的還原反應,從而使單位時間內氣體(CO、SiO)的排出量增加。
當坯體內部的氣體還沒有完全排出,而反應界面三維方向的滲透孔隙已經被新生碳化硅完全填充時,材料中會存在部分氣孔;而隨著氣體聚集、壓力升高,其頂托作用導致坯體炸裂。
 
04碳含量對燒結體顯微結構的影響
  下圖所示為碳含量不同各燒結體試樣斷口SEM照片,各圖中灰色區域為碳化硅,白色區域為硅。
  可以看出,碳含量在A-2.5Awt.%范圍內,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,碳化硅相互聯接呈骨架狀。但過多的碳含量易造成燒結體中殘碳的出現,如f所示。進一步增加炭黑增大到3A時,試樣燒結不完全,內部出現黑色“夾層”。圖g為f的邊緣部位SEM照片,這部分反應充分,生成了致密的骨架狀結構;而圖h為f的內心部位SEM照片,這部分出現了大量未參與反應的殘余碳。
  碳與熔融硅反應時,其體積膨脹為234%,這使得反應燒結碳化硅的顯微組織與生坯中的碳含量密切相關。當生坯中的碳含量較少時,硅-碳反應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量較多;隨著生坯中碳的增加,硅-碳反應生成的碳化硅便可以充分填充碳粉周圍的孔隙,并將原始碳化硅聯結在一起,此時試樣中的游離硅含量減少,燒結體密度升高。但是,當生坯中的碳較多時,碳與硅反應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,造成燒結體中有殘碳存在。
 
資料來源粉體圈

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