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《中南大学》 2011年
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天然高岭土原位还原合成SiC_W/Al_2O_3复合陶瓷材料及机理研究

王朝胜  
【摘要】:SiC和Al2O3是应用最广的两种结构陶瓷,具有硬度高、强度高等优点。然而,陶瓷最大的缺点—脆性在上述这两种单相陶瓷中依然无法克服。采用两相复合是解决脆性问题的有效途径。以碳化硅晶须增强氧化铝获得的SiCw/Al2O3复相陶瓷其力学性能较单相Al2O3陶瓷有成倍提高,SiCw的引入对陶瓷材料的断裂韧性、抗弯强度和抗热震性等方面都有明显提高。 以天然高岭石矿物和多种碳源(无机碳源和有机碳源)为原料,采用高温碳热还原技术,原位合成制备SiCw/Al2O3复相陶瓷材料。对高岭石无机碳混合物反应的热力学过程进行了计算和研究。结合反应热力学、反应动力学、材料的物相和微观结构分析,探讨了反应发生过程和最终结构的形成机理。结果表明,高岭石碳热还原过程中,首先发生高岭石脱水生成莫来石和高温SiO2;然后高温下SiO2与碳反应生成SiC;最后莫来石与碳发生碳热还原生成SiCw和Al2O3。其中,SiC晶须的形成机理较为复杂:1300℃高温下SiO2与C首先发生固相反应,形成SiC颗粒;随着温度的升高,系统中出现SiO气相,出现的SiO以SiC颗粒为核,在SiC颗粒表面与CO发生气气反应,并沿SiC(111)晶面择优生长为SiC晶须。 以炭黑、石墨、活性碳等为碳源,详细研究了各工艺参数对反应产物的影响。结果表明,合成温度制度对产物的物相的决定性作用;而碳源对产物的结构有重要的影响。采用无机碳源时,最佳工艺参数为:高岭石与炭黑的摩尔比为1:8,氩气流量80 ml/min,合成温度1500℃,恒温2 h。在该条件下获得了两相均匀混合的SiCw/Al2O3复合粉,其中SiC为晶须,Al2O3为颗粒,SiC晶须的直径200 nm,长度≥5μm,长径比≥25。 采用高岭石有机插层技术,通过极性有机小分子(DMSO)插层,有机单体置换,加热聚合等工艺过程,成功地获得了聚合物(苯乙烯、丙烯腈)插层高岭石。以高岭石聚合物插层复合物为原料,采用高温碳热还原技术,原位合成制备了SiCw/Al2O3复相陶瓷粉。研究发现采用高岭石聚合物插层复合物为原料的合成温度较无机碳合成温度有较大的降低。分析认为:插入高岭石层间的聚合物高温下发生碳化,形成高岭石结构层--碳层的叠层结构,高岭石结构层与碳层以分子水平接触,碳热还原过程中较低温度下发生的固相反应无需进行长程扩散,从而大大提高了固相反应的效能。 论文采用上述两种工艺路线,以高岭石为原料,碳热原位合成了两相均匀的SiCw/Al2O3复合相陶瓷粉,并对SiCw/Al2O3复相陶瓷粉末进行了热压烧结研究。同时,探索了SiCw/Al2O3复相陶瓷烧结的最佳温度和较好的烧结助剂。结果表明,在烧结温度1650℃,添加3wt%氧化钇,热压获得结构性能较好的SiCw/Al2O3复合材料,其相对密度达97.2%,抗弯强度为345.69 MPa。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ174.758.22

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【参考文献】
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