氧化锆/碳化硅复合材料制备与性能研究(2)

2009-12-05 卡哈尔.艾买提中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院

2.2 　复合材料热匹配性能

　　复合材料组成中,各种原料的热性能差别很大,如表5 所示,碳化硅的热膨胀系数为4.7×10^-6～5.0×10^-6/℃(20～1000 ℃) ,氧化锆的热膨胀系数为9.4×10^-6～10.6×10^-6/℃(30～1000 ℃) ;助剂氧化铝的热膨胀系数为8.6 ×10^-6/℃ (20～1000 ℃) ,通过不同材料之间的组成调整,尽量减小材料热应力,提高材料结合强度,各层的热膨胀系数范围见表5 。

　　通过调整各层材料组成,使得过渡层热膨胀系数介于外层和中间层之间,这样可以保证样品多层烧结到一起,在热循环试验中也尽量不出现裂纹。所以,在实验中,应该尽可能增加外层中SiC 含量,以减小外层膨胀系数(但外层SiC 含量须控制在一定范围,以保证此类承烧板材料的使用性能,即良好的化学稳定性) ;增加过渡层氧化锆含量,减小SiC含量,增大热膨胀系数;增加中间层氧化锆含量,减小SiC 含量,增大热膨胀系数,最终使各层膨胀系数更相近,热性能更匹配,抗热震性得以提高。

原料热性能表

表5 　原料热性能表

　　图3 给出了复合材料三层(外层、过渡层、中间层) SEM 图及能谱图。可以看出,外层与过渡层间有明显的裂纹,主要原因是: ①外层与过渡层热膨胀系数差异较大,产生热应力(膨胀率差异详见图4) ;②外层主要原料氧化锆,发生t -ZrO₂ →m-ZrO₂相变,(图5) ;中间层与过渡层层间结合紧密,两层热膨胀系数接近、热应力小,且这两层主要氧化锆含量较少,很少有相变引起的裂纹。可以看到, Si元素在外层含量小,不会影响氧化锆的化学稳定性,在过渡层、中间层含量大;与之相比,Zr 元素恰恰相反,越往里,含量越低,这正是实验所要达到的结果。

复合材料三层(外层、过渡层、中间层) SEM 图及能谱图

图3 　复合材料三层(外层、过渡层、中间层) SEM 图及能谱图

复合材料三层膨胀率图梯度复合材料各层物相组成图

图4 　复合材料三层膨胀率图　图5 　梯度复合材料各层物相组成图

2.3 　添加剂选择及用量

　　研究表明,软磁材料中的Mn ,Zn, Fe等在高温下会挥发,易与耐火材料中游离的SiO₂起反应,导致耐火材料被腐蚀而开裂,从而严重影响了产品的使用寿命,因此设计配方时必须让游离的SiO₂含量减少到不易于上述各物质起反应的程度。本试验通过添加a-Al₂O₃ 微粉,使之与材料中游离的SiO₂起反应形成莫来石;此外,添加剂还可提高原料的活性,改善坯体的成型性能,提高制品的烧结反应能力。本试验中, 复合材料的各层均添加了适量Al₂O₃ 烧结助剂,在图5 给出的XRD结果中,虽未发现莫来石相,但却达到良好的烧结效果,且外层均为氧化锆相,可满足承烧板的使用要求。