短碳纤维增强反应烧结碳化硅复合陶瓷机理研究

以碳化硅粉末、纳米碳黑、短碳纤维为原料,采用模压成型、反应烧结法制备了力学性能优异的碳化硅复合陶瓷。对短碳纤维增强反应烧结碳化硅复合陶瓷的机理进行了研究。结果表明:纳米碳黑由于其更高的反应活性,有效的抑制了短碳纤维与硅的反应,碳纤维仅外层与硅反应生成β-Si C,少量硅通过扩散进入碳纤维内层,短碳纤维得到有效保护。纳米碳黑完全反应的同时,碳纤维作为部分碳源填充了更多坯体气孔,更多气孔被Si之外的相填充使得复合陶瓷烧结体的残硅体积分数由20%降至12%,且有效的抑制了硅岛的形成。材料断口形貌中可观察到纤维拔出、纤维脱粘、和大量细小β-Si C晶粒拔出。相比于传统的反应烧结碳化硅陶瓷,添加碳纤维的碳化硅复合陶瓷的断裂韧性由4.06 MPa·m~(1/2)提升至5.11 MPa·m~(1/2);烧结体体积密度由3.04 g/cm~3降低至2.98 g/cm~3,弯曲强度由295 MPa提升至379MPa,碳化硅复合陶瓷的比强度提升了31%。     

凝胶注模成型研究进展

凝胶注模成型是20世纪90年代初美国橡树岭国家实验室首创的胶态成型工艺.该工艺利用有机单体聚合反应形成的三维网络凝胶特性,使陶瓷悬浮体注入模具后原位固化成陶瓷坯体.它具有坯体均匀、坯体密度高、坯体强度高、近净尺寸成型等显著优点.本文全面阐述了凝胶注膜成型的近十年来的研究进展,并对其研究前景进行了展望.     

氧化铝陶瓷凝胶铸成型工艺的研究

对氧化铝陶瓷的凝胶铸成型工艺进行研究、研究低粘度、高固相体积分数悬浮体的制备及其固化过程．研究成型坯体干燥和成型剂脱除工艺．并通过凝胶铸成型工艺制备出形状复杂、致密的陶瓷部件。制成的AI2O3陶瓷部件组织结构均匀、尺寸精确,坯体体积密度不低于50vol％,坯体允许进行机械加工．干燥和脱除成型剂后坯体无变形开裂。     

SiC浆料流变性能研究及对注浆成型坯体的影响

以粒径分别为100、5和0.6μm,比例为7:1:2的SiC为原料,添加分散剂四甲基氢氧化铵(TMAH),加入HCl或NaOH调节浆料pH值,通过机械搅拌制备出适合注浆成型的重结晶SiC浆料。研究分散剂的添加量,pH值以及固相含量对浆料流变性能的影响,选择固相含量高、稳定分散并且粘度低的浆料作为注浆成型的优选浆料。结果表明,相同固相含量下加入质量分数0.2%的TMAH,pH值为9可获得稳定分散,粘度最低的浆料;随着固相含量的增加,浆料的粘度不断增大,对不同固相含量的浆料进行注浆成型,发现固相含量为67.5%的浆料,其坯体致密度最高,为2.39g/cm3(75.9%),坯体内部均匀,气孔少,质量优异。     

熔融石英陶瓷凝胶注模成型及烧结工艺

报道了熔融石英陶瓷的凝胶注模成型及其烧结工艺.对凝胶注模成型工艺的几个主要影响参数对比分析,研究了分散剂、粉体粒径分布和浆料pH值对悬浮体分散效果的影响.并且分别以①苏州土、钾长石、碳酸钙②氟化钙作为烧结助剂,研究了它们对熔融石英陶瓷的烧结性能的影响.本研究工作为非晶态熔融石英陶瓷的凝胶注模成型提供了一定的工艺和理论研究基础.     

基于包混和复合添加工艺的多孔碳化硅陶瓷的制备和性能

采用包混工艺合成核-壳结构的硅-树脂先驱体粉体,引入Al2O3-SiO2-Y2O3复合添加剂,通过成型、炭化和烧结工艺制备多孔碳化硅陶瓷。分析多孔碳化硅陶瓷样品的物相、形貌、孔隙率、热导率、热膨胀系数和抗热震性能。结果表明：复合添加能够在较低的温度下制得多孔碳化硅陶瓷;陶瓷样品的晶粒较小,明显增强了多孔碳化硅陶瓷的导热性能;复合添加提高了碳化硅陶瓷的抗热震性能,添加Al2O3-SiO2-Y2O3并且在1650℃下烧结制备的多孔碳化硅陶瓷经过30次热震后的抗弯强度损失率为6.5%;陶瓷样品的孔壁更加光滑,孔分布更均匀;复合添加对多孔碳化硅陶瓷热膨胀系数的影响较小。     

水溶性环氧树脂的锆钛酸铅压电陶瓷凝胶注模成型

分别以聚丙烯酸铵(NH4PAA)和海因环氧树脂为分散剂和凝胶剂,制备锆钛酸铅陶瓷浆料,研究分散剂及固相含量对浆料流变性能、生坯和烧结样品物理性能的影响。结果表明:当分散剂含量(质量分数)为0.6%时,浆料黏度最低;当固相含量(体积分数)高达57.5%时,浆料仍保持良好的流动性;当固相含量为55%时,陶瓷生坯和烧结坯的强度均达到最大值,分别为34.1和77.8 MPa;与传统模压成型工艺对比表明,采用凝胶注模成型工艺制备的样品具有更优异的物理和压电性能。     

陶瓷注射成型超临界CO2流体脱脂工艺研究

利用超临界CO2流体萃取技术从陶瓷注射成型坯体中萃取有机粘合剂。对陶瓷注射成型中所使用的有机载体组分进行研究,对陶瓷注射成型超临界CO2流体脱脂的工艺条件进行了探索,研究了不同萃取压力,温度及时间对萃取率和陶瓷坯体脱脂质量的影响。结果显示利用40％～50％(质量分数,下同)非极性分子有机物石蜡(PW)与30％～40％极性分子有机物聚丙烯(PP)及20％硬脂酸(SA)组成陶瓷注射成型熔体中的有机载体,在压力P=30MPa,温度T=58℃的超临界CO2流体中脱脂可在较短的时间内获得无缺陷的陶瓷注射成型生坯。     

用氧化淀粉实现氧化铝陶瓷的原位凝固成型

采用经过氧化改性后的木薯淀粉作为凝固剂进行氧化铝陶瓷原位凝固成型研究。研究了氧化淀粉添加量对陶瓷浆料流变特性以及成型素坯的密度、干坯强度的影响，测定了经1700℃烧结后瓷体的密度和强度。结果表明：当在固相体积分数为55％的氧化铝浆料中加入0．5％～1．5％（质量分数，下同）的氧化淀粉时，淀粉．氧化铝浆料的表观粘度随氧化淀粉添加量的增大而提高，但均小于0．4Pa‰制备出的坯体致密、均匀，体积密度大于60％；干坯强度随淀粉添加量的增大而提高，均在7MPa以上，当氧化淀粉量为1．5％时，可达12MPa。烧结后氧化铝陶瓷的抗弯强度均在220MPa以上，其中当淀粉加入量为1．0％时，陶瓷的抗弯强度可达307MPa；烧结体的致密度随着淀粉加入量的增大而下降，当淀粉加入量小于1．0％时，烧结体的相对密度在96％以上，与注浆成型制备的烧结体的致密度相当。通过添加少量氧化淀粉，可实现氧化铝陶瓷的近净尺寸原位凝固成型，并可获得高致密度的陶瓷烧结体。     

光固化3D打印SiC：粉体氧化处理提升浆料UV固化性能

为了进行碳化硅(SiC)的光固化3D打印,本文提出采用表面氧化处理提升SiC浆料的光固化性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等研究了SiC颗粒的氧化过程以及氧化温度与保温时间对氧化过程的影响;采用动态流变仪、紫外分光光度计、数字千分尺等研究了浆料的流变性能和光固化性能。结果表明：经表面氧化处理后的SiC颗粒紫外反射率有显著的提高,最高为48.11%,为未氧化SiC颗粒的1.8倍;配制的浆料光固化性能有明显的改善,曝光5 s时固化厚度最高为76μm,为未氧化的3.6倍。随着氧化温度的上升以及保温时间的延长,氧化层厚度持续增长,最高达到144.8 nm。考虑到过度氧化不利于后续SiC陶瓷的烧结成型,最终选择使用1100℃保温3.0 h的氧化SiC粉末,并以1%(质量分数)的KOS163为SiC浆料的分散剂,制备了固含量为45%(体积分数)的SiC浆料,成功实现了SiC陶瓷坯体的光固化3D打印。     

聚碳硅烷高温裂解原位生成SiC涂层研究

以氯铂酸为催化剂,二甲苯为助溶剂,聚碳硅烷(PCS)和二乙烯基苯(DVB)为基体,制备碳化硅先驱体浆体,采用浸渍-干燥-交联-高温裂解的方法原位制备碳化硅致密涂层,碳化硅涂层直接生长在碳化硅基体上,可实现碳化硅涂层与碳化硅基体的无差别结合。利用SEM、EDS对涂层进行表征。结果表明:可以利用碳化硅先驱体高温裂解原位生成SiC类涂层,经过浸渍4次处理后,试样的平均吸水率可由6.90%降低到1.69%。     

凝胶注模法制备SiCp/Al复合材料基础工艺研究

提出用凝胶注模法制备超细碳化硅颗粒增强铝基复合材料新工艺,并对其基础工艺:Al-SiC复合浆料的沉降现象和凝胶固化时间进行了研究.结果表明,当pH值为9,分散剂PVP加入量质量分数为2％,可制备出固相体积分数为50％、分散均匀的复合浆料;随成型温度的升高,复合浆料的固化时间逐渐缩短;随着引发剂尤其是催化剂加入量的增加,复合浆料的固化时间明显缩短.     

高性能氧化物陶瓷材料的注射成型

系统研究了高纯超细3Y-ZrO2和Al2O3陶瓷粉末的注射成型技术.主要研究了高纯超细3Y-ZrO2和Al2O3粉末,与有机载体混炼后的流变性,获得适于注射成型的悬浮体;注射成型的陶瓷的素坯特性.分析测试了脱脂烧结后3Y-ZrO2和Al2O3陶瓷体的体积密度,显微结构特征,抗弯强度等性能.并采用注射成型技术成功的制备出表面光洁、尺寸精确的光纤连接器陶瓷套筒、生物陶瓷牙桩、陶瓷刀片等高性能精密陶瓷部件.     

水基流延成型制备Li1+x-yNb1-x-3yTix+4yO3微波介质陶瓷膜片的研究

以Li1 x-yNb1-x-3yTix 4yO3微波介质陶瓷为原料,聚乙烯醇水溶液为粘结剂,乙二醇为增塑剂,聚羧酸铵盐为分散剂,通过水基流延成型工艺制备出了微观结构均匀的陶瓷素坯膜.通过对陶瓷粉体Zeta电位的考察研究了在水溶液中的粉体表面的带电情况.对陶瓷浆料的流变性进行了研究,考察了分散剂对浆料粘度的影响.最后对成型后陶瓷膜片的微观结构进行了观察.结果表明,添加分散剂后,Li1 x-yNb1-x-3yTix 4yO3陶瓷粉体在水溶液中的等电点由pH 3移动到pH 2.4,并且粉体的Zeta电位有大幅度的提高.Li1 x-yNb1-x-3yTix 4yO3微波介质陶瓷水基流延成型浆料为典型的假塑性流体,并且不存在触变性,满足流延成型工艺的要求.当分散剂的添加量为0.2wt%时,浆料的粘度最低.扫描电镜观察表明,水基流延成型后陶瓷素坯膜的微观结构均匀.     

反应烧结碳化硅陶瓷中碳化硼-碳纤维联合增强机制

纳米炭黑作为碳源的传统反应烧结碳化硅陶瓷残硅量高、硅岛形态多,力学性能较低。为了减少残硅含量、细化组织,提高复合陶瓷材料的力学性能,选择具有高碳密度的短碳纤维,以及力学性能优异的细小碳化硼颗粒作为碳源和增强体来制备反应烧结碳化硅复合材料。研究了不同体积分数短碳纤维及碳化硼对复合陶瓷密度、微观结构和强韧性能的影响。结果表明:在温度为1600℃时,碳纤维完全反应,具有的高碳密度导致硅化过程中体积膨胀率大,减少了残硅体积分数;其通过扩散反应控制了残硅的分布-纤维状分布,抑制了硅岛形成。引入的碳化硼保证了渗硅充分性,其颗粒边缘区域与硅发生反应生成碳化硅和三元相,提供了部分碳源,试样断裂过程中碳化硼颗粒以颗粒拔出为主,导致裂纹扩展路径以及能量消耗增大,有助于提高基体强韧性能。当添加碳纤维体积分数为40%时,复合陶瓷强韧性能达到最高,分别达到465 MPa和7.5 MPa·m1/2。     

SPS反应烧结HfB_2复合材料的制备和性能

针对HfB_2陶瓷材料难烧结和韧性差等问题,选择ZrC粉、Si粉和C粉为烧结助剂,借助ZrC-Si-C间的原位反应生成ZrSi_2和SiC,促进HfB_2陶瓷的烧结,并提高HfB_2陶瓷的综合力学性能。结果表明,HfB_2与烧结助剂的混合粉体经放电等离子烧结(SPS)在1600℃保温10 min和40 MPa的压力条件下制备出相对密度为96.6 1%的HfB_2-ZrSi_2-SiC复合材料,所制样品的硬度、抗弯强度和断裂韧性均随着烧结助剂ZrC-Si-C含量的增加呈现先上升后降低的趋势。当ZrC-Si-C添加量为10%时所制备样品的综合力学性能最好,其硬度值为26.80±1.2 GPa、抗弯强度为504±40 MPa、断裂韧性值为4.66±0.21 MPa·m~(1/2)。     

生坯制备参数对反应烧结碳化硅显微组织与性能的影响

研究了反应烧结碳化硅陶瓷的显微组织和性能与生坯碳含量、成型压力以及碳粉粒度的关系,结果表明：生坯成型压力与生坯含碳量存在最佳匹配、原则,陶瓷性能随之降低,对于一定粒度的碳化硅粉而言,加入到生坯中碳粉粒度应小于一定尺寸,否则,陶瓷的断裂强度和密度将随碳粉应变的增大而降低。     

注射成型制备碳化硅陶瓷材料

以高纯SiC微粉为原料，添加碳化硼、碳为烧结助剂，研究了利用注射成型技术生产碳化硅陶瓷复杂件的工艺。选择了一种石蜡基多聚物粘结剂体系，在粉体体积分数为52％时，喂料的最佳注射参数是：注射温度160～170℃，注射压力为100-110MPa，采用溶剂脱脂加上热脱脂的二步法脱脂工艺，在氩气氛下，将烧结坯体于2100℃，保温1h进行固相烧结后，得到的碳化硅陶瓷复杂件密度为3．08g／cm^3，致密度为96％。     

熔融沉积(FDM)工艺参数对SiC陶瓷微观结构和力学性能影响

为提高熔融沉积成型(FDM)碳化硅(SiC)陶瓷的质量,本文主要研究工艺参数(料筒温度、喷嘴直径和打印层厚)对SiC陶瓷表面形貌、微观结构和力学性能的影响。结果表明:在料筒温度180℃、喷嘴直径0.8 mm和打印层厚0.2 mm时可获得稳定可控的挤出流量,SiC生坯和烧结体微观结构致密,层间结合效果好。SiC烧结体密度为3.18 g/cm~3,达到理论密度的99%,抗弯强度为302 MPa左右。成功制备了具有复杂几何形状和可控尺寸精度的SiC生坯,研究结果为3D打印SiC陶瓷工艺参数的制定提供了参考依据。     

泡沫碳化硅陶瓷表面原位合成Silicalite-1沸石的研究

采用泡沫碳化硅陶瓷作为载体,在其表面制备沸石分子筛涂层.首先,通过聚氨酯泡沫热解结合可控熔渗反应烧结制备泡沫碳化硅陶瓷. 然后通过原位水热合成法在泡沫碳化硅陶瓷表面制备Silicalite-1沸石涂层. 沸石涂层和泡沫碳化硅载体所组成的复合材料具有独特的微孔/大孔结构,高的比表面积和界面结合强度.这种材料将会在催化、吸附/分离领域有广泛的应用前景.