反应烧结SiC的制造和性能.doc
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反应烧结SiC的制造和性能新型陶瓷材料由于具有各种特殊的性能被应用于许多工业领域,为解决材料使用问题发挥着越来越重要的作用。新型陶瓷具有多种功能,按性能分为电学、电子功能、力学功能、光学功能、热学功能、生物功能等等。近几年来,特别引起人们注意的是机械力学功能陶瓷。我们根据省科委下达的科研项目,通过大量调研,开展了对反应烧结SiC材料制造与性能的研究。利用传统的SiC粉料,采用压制成型工艺传统烧成法制造不出高密度SiC材料,如采用热压烧结、无压烧结或反应烧结工艺可达到其目的。反应烧结SiC已是30多年来的商品化材料,首先是出现在美国的气相渗硅工艺,以后英国原子能协会的反应堆高性能材料元件通过液相渗硅工艺研制成功,后来各国对此材料采用挤出成型、等静压成型、压制成型、注浆成型、注射成型等不同工艺进行了详细的研究,分别制造出了机械密封件、轴承、火箭喷嘴、烧嘴、阀件、发动机转子等多种部件,其中部分已形成商品化应用到工业中取代硬质合金等昂贵的金属材料,取得了显著的经济效益。工艺概述RB-SiC是由于碳化硅粉与石墨或炭黑混合,加入少量粘结剂,通过各种成型方法成型,去掉粘结剂后,将坯体放在特殊设计的真空炉中,使之与熔硅接触,坯体被融硅润湿、渗透,Si与坯体枝、中的石墨或C反应形成新SiC沉积到原来的SiC上,把原来的SiC结合在一起,剩余的气孔由Si填充。最终的制品含有约8-10%的游离Si,该材料的特点是可通过调节坯体中C含量来调节制品的游离Si量,从而制造不同性能的制品。SiC材料各相含量的控制原理反应烧结SiC的一个重要特点是在坯体渗Si后尺寸无变化或很少有变化,因此要形成理论密度的SiC,坯体中必须含有一定量气孔,以满足石墨或C转化成SiC时的体积增大的需要,假如坯体全由C组成,理论最大C密度应按如下计算:C+Si→SiC1240SiC理论密度3.12g/cm³,40gSiC体积应为12.46cm³,这时12gC分散到12.46cm³中就可能全部生成SiC,故最大C密度为dth=0.963g/cm³如果在C中加入部分α-SiC作为稀释剂,C在其中占得分数为x,则实现全部C转化所需的理论坯体密度为:dth1=3.21/(1+2.33x)由该式可看出x↑dth1↓,但SiC周围的C密度仍保持为0.963g/cm³,虽然可假定坯体2石墨或C均匀分布,但由于在成型过程中的不均匀现象,可能会造成某区域出现C密度大于0.963g/cm³,从而未反应的C会影响材料的性能。实际上,为了防止出现SiC不渗透层,并使Si能均匀地渗透坯体,在反应完成后坯体中大约10%的气孔由Si来填充,从而使产品组成为90-92%SiC其余为8-10%的Si。反应烧结SiC制造工艺挤出成型英国原子能协会C.W.Forrost和P.Kennedy首先开发首先开发了SiC制造挤出成型工艺,其方法是将细度1μm左右的石墨粉和SiC粉干混均匀,加入一定量的热塑性树脂与塑化剂及少量热固性树脂结合溶剂,混均后真空干燥至恒重,形成松脆的粉末。粉末的性能取决于所加粘结剂的品种与数量以及剩余量,如粘结剂的数量和分布决定真粉末的气孔量和分布,会影响坯体性能、混合后的塑性;制品表面光洁度等则取决于粘结剂的粘度和残存的溶剂量。将混合物压成柱状压缩体,然后在多孔盘上挤出,目的是除去混合物中的空气使之致密化,然后再将挤出的细杆状打碎再通过磨具挤出,放在V形石墨垅中于370°C空气中脱去结合剂。注射成型美国Ford电机公司的Pierre等用注射模研制出可用于发动机转子等复杂形状的反应烧结SiC部件。其工艺大致为:1)制成所需充填SiC和石墨的聚合物形状模;2)聚合物热解成C并形成气孔结构;3)以熔Si填充多孔坯体转化成SiC,新的SiC把原来的SiC结合起来形成烧结体。2.1配方组成坯体配方中聚合物、石墨、SiC、工艺助剂的添加量取决于体积C密度,理论上0.963g/cm³的C密度将形成理论致密的SiC,但实际上为了使Si能渗透到整个区域中,并补偿由于C密度的不均,坯体中应有一定量的气孔,反应完毕后的气孔则有剩余Si填充。故实际C密度应有SiC的体积分数和剩余的Si量所决定。从而知道聚合物热解C量后可确定配料中各组分的含量。典型配方组成:47%α-Si、47%聚合物、5%石墨、1%工艺助剂,入球磨干混,混合后的粉末116°C挤出去掉空气和水分,挤出粉破碎过3n/4筛形成磨具粉末。2.2模制待续