论文总字数：19512字

摘 要

碳化硅作为一种新型的非氧化物精细陶瓷材料，是热结构材料体系的重要组成，近年来因其优良的性能在材料领域迅速发展，被广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、冶金等各种工业领域中。本文将通过调控SiC基金属陶瓷的复合成分，研究SiC基金属陶瓷的制备及其组织性能。以添加金属Al粉末含量来区别四种成分，四种成分中金属Al粉末占总金属陶瓷粉末的质量百分比分别为25%、40%、55%和70%。对四种情况进行比较，所得结果对于推动陶瓷的理论发展和实际应用具有重要的指导意义。

本文主要研究了SiC基金属陶瓷的制备及其组织性能。选用SiC粉、铝粉作为原料，采用控制变量法研究各成分的最佳配比，得到粒度均匀、活性较高的混合粉末。针对混合粉末进行表面处理，然后进行模压后对样品进行真空烧结，得到烧结制品，制备出碳化硅金属陶瓷复合材料。利用测得的质量和体积计算试样密度，Ｘ射线衍射分析材料物相组成，M-5XC型倒置金相显微镜搭配能谱分析来分析其表面组织、断口形貌和元素组成，残余硅体积分数采用图像分析软件得出。研究结果表明：当烧结温度为700℃，添加金属Al粉末含量为70%时，其抗弯强度相对其他成分较优。

关键词：碳化硅；金属陶瓷；导电性；材料性能测试

Abstract

Silicon carbide, as a new type of non-oxide fine ceramic material, is an important component of thermal structure material system. In recent years, because of its excellent properties in the field of materials, it has been widely used in aerospace, mechanical manufacturing, petrochemical, metallurgy and other industrial fields.This paper will study the preparation and microstructure of SiC ceramics by regulating the composition of SiC ceramics. Four components were distinguished by adding metal Al powder content. The mass percentages of metal Al powder in the four components were 25%,40%,55%and 70%, respectively. Comparing the four cases, the results are of great significance to promote the development of ceramics theory and practical application.

In this paper, a study on the preparation and microstructure properties of SiC ceramics is presented. SiC powder and aluminum powder were selected as raw materials, and the optimum proportion of each component was studied by using the control variable method, and the mixed powder with uniform particle size and high activity was obtained. The surface treatment of the mixed powder was carried out, and then the samples were vacuum sintered to obtain the sintered products, and the silicon carbide cermet composites were prepared. the sample density was tested by archimedes drainage method, and the material phase composition was analyzed X ray diffraction. the M-5XC inverted gold phase microscope matched with energy spectrum analysis was used to analyze its surface microstructure, fracture morphology and element composition. the residual silicon volume integration number was obtained by image analysis software. The results show that when the sintering temperature is 700℃ and the powder content Al adding metal is 70%, the bending strength is better than other components.

Key Words：Silicon carbide；Cermet；Conductivity；Material performance test

目 录

第1章 绪论 1

1.1 SiC基金属陶瓷的概述 1

1.2 SiC基金属陶瓷的国内外研究现状 2

1.3 本文内容及技术路线 3

第2章 实验原料及方法设备 5

2.1 实验原料 5

2.2 实验方法 6

2.3 实验设备 6

第3章 SiC基金属陶瓷的组织性能研究 9

3.1 成分设计 9

3.2 制备工艺 10

3.2.1 球磨 10

3.2.2 烘干及过筛 10

3.2.3 烧结 11

3.3 SiC基金属陶瓷物相分析 13

3.4 SiC基金属陶瓷性能分析 14

3.4.1 烧损率 14

3.4.2 平均密度 14

3.4.3 抗弯强度 14

3.5 SiC基金属陶瓷组织观察 15

3.6无添加介质的SiC基金属陶瓷制备对照实验 17

3.6.1成分的选择 17

3.6.2球磨 18

3.6.3过筛及压制 18

3.6.4烧结 19

3.6.5 SiC基金属陶瓷的性能分析 19

3.7 试验结果与分析 20

第4章 小结与展望 22

4.1 小结 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 SiC基金属陶瓷的概述

碳化硅陶瓷是一种新型复合材料，近二十年来在国内才开始逐步发展，可以广泛运用于航空航天以及汽车等领域，近几年碳化硅制造企业快速增长，为各行业、领域提供了丰富的产品。碳化硅作为一种新型的非氧化物精细陶瓷材料，是热结构材料体系的重要组成，近年来因其优良的性能在材料领域迅速发展，被广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、冶金等各种工业领域中。

SiC陶瓷是一种常见的陶瓷基复合材料，碳化硅陶瓷原料容易获得，并且有很多丰富的制备方法，是一种适用性很广的结构陶瓷。目前，世界许多国家都在积极开展碳化硅陶瓷基复合材料制备技术的研究，碳化硅陶瓷的应用开发愈加得到重视。在纤维增强陶瓷基复合材料这一领域，科技发达的国家近年来已经开展了大量的研究，有许多种高强韧性的陶瓷都得到了开发和应用。对于我国而言，对国外的先进陶瓷研发技术进行学习和揣摩，对于我国陶瓷工艺的发展有着重要的推进作用。主要的制备方法包括真空烧结法、微波烧结法、热压烧结法、放电等离子烧结法和反映烧结法等，通过无压烧结、热压烧结制备出来的SiC基金属陶瓷，在1600℃的高温下，依然可以保持其高温强度不变。

随着人类物质文明的发展和进步，现代科技水平高速发展，性能优越且适用性广的材料越来越受欢迎。与其他特种陶瓷相比，碳化硅陶瓷耐热、耐腐蚀性好，热膨胀系数小、热导率大，有着十分优秀的热力学性能，在许多领域都得到了广泛的应用，并日益表现出无穷的发展潜力，其应用前景十分广泛。但是，对于碳化硅陶瓷科技研发还并没有达到一个很高的境界，在许多领域的应用开发都很有限。碳化硅陶瓷有一些固有的缺点，即脆性大、韧性差，使其应用范围受到了严重的制约，因此，近年来各界的科研工作者们都愈加重视碳化硅材料的增强增韧研究。材料的性能和原材料的结构和制造工艺密切相关。因此，设计合理的金属成分，研究其强韧化机理，对于推动碳化硅陶瓷的理论研究和实际应用有着重要的意义。

SiC是一种常见的共价化合物，其单位晶胞是由硅原子处于中心地带、碳原子在周围的相同四面体组成。学者们通过研究发现，SiC的结晶型态很丰富，多达70多种，其中α－SiC是最常见的，属于六角晶系结构，通常形成于高于2000℃的高温下。还有一种常见的形态是β－SiC，具有立方晶系结晶构造，类似于钻石，在温度低于2000℃的时候形成，在 2100℃时开始逐渐向α－SiC形态转化。起初，SiC材料是作为发热元件的主要材料和耐火材料，随着人类物质文明的发展和进步，自20世纪60年代起，SiC被用作为结构材料。SiC的密度为3.17g/cm³，分解温度为2600℃。SiC陶瓷拥有优秀的常温力学性能，而且其高温力学性能比目前其他结构陶瓷材料都更好。SiC陶瓷拥有较低的摩擦系数与热膨胀系数，具有优良的导电和导热性能，有很大的发展前景，可以在航空航天、汽车制造等领域得到很大的开发应用。SiC的陶瓷缺点是断裂韧性差、脆性大、后加工的能力低，严重制约了其应用范围。另一方面，由于陶瓷基复合材料的性能和其材料结构之间存在十分密切的联系，值得注意的是，不同的原材料、结构形式与制备工艺下的碳化硅基金属陶瓷的性能也有着较大的区别。五十年代中期, Alliegro等人研究了B、Ni、Li、Al、Ca、Cr、Fe、Zr-B、Al-Fe等作为添加物，对热压烧结法制备致密化SiC陶瓷的作用, 在此之后，各地的科研人员也在不断地进行添加剂对烧结制备SiC的影响的研究。1974年,美国的S.Prochazke最先在无压烧结的条件下，采用B、C作为添加剂, 成功地制备了致密的SiC烧结体，并由此掀起了一股研究先进结构陶瓷的热潮。碳化硅陶瓷的制备技术在此基础逐渐上发展起来, 并逐步在工业化生产中得到应用。用其制造的火箭喷嘴、耐磨喷嘴、精密轴承、阀门、刀具、耐磨密封件、热交换器等各种要求苛刻的工作条件的耐高温和腐蚀制品,不断得到世界各国科学工作者的重视和研究。

1.2 SiC基金属陶瓷的国内外研究现状

陶瓷基复合材料是一种典型的新型非氧化物精细结构陶瓷材料，在20世纪80年代逐渐发展起来。碳化硅是一种重要的热结构材料，近年来因其优良的性能种工业领域中。随着人类物质文明的发展和进步，特别是能源、空间技术的高度发展，性能优越且适用性广的材料越来越受欢迎。因为碳化硅陶瓷强度高、耐磨性，耐腐蚀性好，在材料领域迅速发展，被广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、冶金等领域，已在各行业受到普遍重用，并日益显示出其他特种陶瓷所没有的优点，表现出无穷的发展潜力，其用途在不断扩大。

SiC基金属陶瓷在金属陶瓷的基础上发展起来，是一种典型的新型高技术粉末状复合材料。这类复合材料具有优越的化学稳定性和热力学性能，许多发达国家都将其应用于新型的热机与发动机中，能够使机器燃烧室的工作温度升高，从而减少能源的损耗，同时还可以很好地降低材料对热裂纹的敏感性。碳纤维(Cf)是陶瓷基复合材料这一体系中一种倍受瞩目的增强材料，由于其高温热稳定性优良，是陶瓷基纤维增强复合材料中应用最广泛的增强纤维。碳纤维作为结构材料的蓬勃发展从20世纪50年代开始，胶黏基碳纤维在美国首先被成功研制出，1958年之后，英国、日本等国也相继引用和自主研发，开展了碳纤维的理论研究和实际应用。至今，在德、美、英、日等许多国家，都拥有不少公司主营生产高性能的碳纤维材料商品，并且公司的规模也逐渐发展的越来越大。国内的起步较晚，面对日益增加的碳纤维需求，各大研究所和高校也相继投入到碳纤维的研究中，相关的碳纤维生产也在稳步发展中。

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