【摘 要】
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SiC及ZrB2-SiC作为重要的高温结构陶瓷材料,具有高强度、高硬度、耐高温、耐侵蚀以及良好的抗氧化性等性能,因而成为了航空航天、军事和化工以及能源等领域潜在的候选材料。近些年,科技的进步对高温结构材料的要求越来越苛刻,高密度、高导热以及较低的抗热震性已成为了限制SiC及ZrB2-SiC陶瓷广泛应用的主要因素。因此,将孔结构引入到SiC及ZrB2-SiC陶瓷中以调整其热学性能,以及通过原位生成结
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“仿生制备BN晶须改性低碳MgO质超疏渣耐火材料及其高温服役性能研究”(52072274); 国家自然科学基金面上项目“碳纳米管改性的超疏水硅藻土多级孔陶瓷及其油/ 水分离性能研究”(51872210); 国家自然科学基金面上项目“发泡/催化法制备晶须自增强莫来石轻质耐火材料及其高温力学/热学性能研究”(5
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SiC及ZrB2-SiC作为重要的高温结构陶瓷材料,具有高强度、高硬度、耐高温、耐侵蚀以及良好的抗氧化性等性能,因而成为了航空航天、军事和化工以及能源等领域潜在的候选材料。近些年,科技的进步对高温结构材料的要求越来越苛刻,高密度、高导热以及较低的抗热震性已成为了限制SiC及ZrB2-SiC陶瓷广泛应用的主要因素。因此,将孔结构引入到SiC及ZrB2-SiC陶瓷中以调整其热学性能,以及通过原位生成结合相的方法来提高它们的力学性能逐渐引起了研究人员的关注。基于此,本文首先研究了SiC粉体的合成工艺条件;利用葡萄糖水热碳化得到的碳微球具有良好的水分散性,采用发泡-注凝成型法制备了SiC多孔陶瓷;在此基础上,利用原位生成结合相工艺反应温度相对较低,最终制品力学性能相对优异的特点,采用发泡-注凝成型法制备了SiC结合ZrB2多孔陶瓷。研究了SiC与ZrB2-SiC陶瓷浆料的流变性能和稳定性能,并对SiC与SiC结合ZrB2多孔陶瓷的合成工艺条件、高温使用性能以及保温隔热性能进行了研究。研究表明:(1)分别以葡萄糖和硅粉以及葡萄糖水热碳化得到的碳微球和硅粉为起始原料,采用固相反应法合成了直径约为100~200 nm以及50~300 nm的近球形且分散性良好的SiC颗粒粉体,其最佳合成C/Si摩尔比为2:1和1:1,反应温度为1573K,保温时间为3 h。(2)以硅粉和碳微球为原料,以B2O3为烧结助剂,以异丁烯-马来酸酐共聚物(Isobam-104,IB)为分散剂和胶凝剂,以十二烷基硫酸三乙醇胺(TLS)和羧甲基纤维素钠(CMC)分别为发泡剂和稳泡剂,采用发泡-注凝成型法制备了SiC多孔陶瓷。当固含量为30 vol%、B2O3添加量为5 wt%、IB量为0.5 wt%、CMC量为0.2 wt%和TLS量为0.1 vol%时,经1573 K/3 h反应后制备了孔隙率高且隔热性能优异的SiC多孔陶瓷,其孔隙率、体积密度、耐压强度和导热系数分别为92.8%、0.20 g/cm~3、0.14 MPa和0.109 W/(m·K)。SiC多孔陶瓷分别在氩气和空气气氛下经1473 K/3 h二次热处理后均能够良好的保持原有的形状和结构,在空气气氛下处理后的试样耐压强度提高了约23.94%,表明所制备多孔陶瓷具有良好的高温使用性能。(3)以ZrB2粉体、硅粉和碳微球为原料,以Si O2为烧结助剂,以IB为分散剂和胶凝剂,以TLS和CMC分别为发泡剂和稳泡剂,采用发泡-注凝成型法制备了SiC结合ZrB2多孔陶瓷。当固含量为30 vol%、Si O2加入量为5 wt%、IB量为0.5wt%、CMC量为0.2 wt%和TLS量为0.1 vol%时,经1573 K/3 h反应后制备出了孔隙率、体积密度、耐压强度和导热系数分别为86.9%、0.54 g/cm~3、0.53 MPa和0.280 W/(m·K)的SiC结合ZrB2多孔陶瓷。SiC结合ZrB2多孔陶瓷在氩气气氛下经1473 K/3 h二次热处理后仍能良好的保持其原有的形状和结构;在空气气氛下热处理后试样有所氧化,但其结构没有明显的变化,且耐压强度提高了约38.42%,表明其具有较好的高温使用性能。
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