SiC細粉對新型SiC耐火材料燒結性能的影響

SiC陶瓷具有高硬度、高強度、耐腐蝕、耐磨損、低膨脹以及密度小等優點，被應用于很多領域 [ 1 ] 。本研究是在SiC耐火材料的基質中引入微米級、亞微米級SiC細粉，在一定級配下配料后進行燒結，燒結后的材料產生了線性收縮，結構更加致密且顯氣孔率下降，得到了一種介于陶瓷與傳統耐火材料之間的新型Si C耐火材料。重點分析了微米級、亞微米級SiC細粉量對新型SiC耐火材料無壓燒結性能的影響。

1 試驗 1.1 原料

試驗原料:骨料部分為Si C顆粒(粒度為1.43～0.5 mm,0.5～0 mm);基質部分為山東烽元D 50 =0.45μm的亞微米級細粉與山東鑫源D 50 =2.5μm的微米級細粉;燒結助劑為B 4 C細粉 [ 2 ] ，規格W3.5(正興碳化硼);結合劑為醇溶性樹脂。主要原料的組成列于表1。

1.2 試驗方法

按照表2和表3的試驗配方，在一定的級配下配料并用高速混練機混料。先在骨料中加入結合劑混合均勻，之后再加入混合了同比例燒結助劑的微米級和亞微米級細粉，混料均勻后再機壓成型，將成型的試樣烘干后裝窯，并在Ar氣保護氣氛中2 100℃下進行無壓燒結。

表1 主要原料的組成

表1 主要原料的組成

表2 試樣中細粉的配方組成及2 100℃下燒結后的體積密度

表2 試樣中細粉的配方組成及2 100℃下燒結后的體積密度

表2中B3和μB3試樣為全細粉試樣，HB3-1、HB3-2、HB3-3中分別混合了不同比例的微米級和亞微米級SiC細粉。燒結B3的體積密度達到了3.02 g/cm 3 ，即基質全部為0.45μm亞微米級細粉時，試樣的燒結活性最大。

以燒結活性最好的0.45μm亞微米級細粉為基質，分別以不同含量加到0.5～0 mm的Si C骨料中以研制新型Si C耐火材料試樣，配方設計如表3所列。

表3 SiC細粉變量實驗配方設計

表3 SiC細粉變量實驗配方設計

對表3中的幾組試樣進行了1 400℃預處理及2 100℃燒結，對比其體積密度、顯氣孔率和線性收縮，判斷其燒結性能變化。

2 結果與討論 2.1 亞微米級Si C細粉量對燒結性能影響

圖1示出了亞微米級SiC細粉量對上述試樣在1 400℃預處理及在2 100℃下燒結3 h后的體積密度和顯氣孔率的影響。需要說明的是，本實驗過程選擇在1 400℃進行預處理是為了進行排膠，防止在超高溫爐里進行無壓燒結時污染爐膛。預處理并非是一個燒結階段，沒有燒結收縮的致密化過程，預處理后的體積密度和試樣的成型體積密度大小是一致的。

圖1 試樣的顯氣孔率和體積密度與亞微米級SiC細粉量的關系

從圖1可以看出，試樣在1 400℃預處理后的體積密度隨著亞微米級Si C細粉量的增加呈下降趨勢;而試樣在2 100℃燒結后體積密度起初會隨著亞微米級Si C細粉量的增加而稍有增加，但在細粉量達到50%時出現拐點，在達到60%后體積密度增加的幅度陡升。比較后可以發現，在亞微米級SiC細粉量為20%時，試樣在2 100℃燒結后的體積密度小于1 400℃預處理后的體積密度;在亞微米級SiC細粉量超過30%后，試樣2 100℃燒結后的體積密度均大于1 400℃預處理后的體積密度。此外，試樣在2 100℃燒結后的顯氣孔率呈先增加后下降的趨勢:在亞微米級Si C細粉量為20%～50%情況下，材料燒結后的顯氣孔率和預處理后的顯氣孔率一致，這說明亞微米級SiC細粉量小于50%時，燒結致密化作用在耐火材料中影響不大;在亞微米級Si C細粉量大于50%時，燒結致密化愈加，顯氣孔率有所下降。

圖2示出了隨著亞微米級SiC細粉量的增加試樣燒結后所呈現出的線性收縮變化?？梢钥吹?，當亞微米級Si C細粉量為20%時，試樣沒有明顯的線性收縮;而當亞微米級SiC細粉量為30%時，試樣出現明顯的線性收縮。隨著亞微米級SiC細粉量的增加，線性收縮率也在一直增加，全部加入0.45μm亞微米級Si C的全細粉試樣其收縮率最大。

綜上所述，亞微米級Si C細粉量在30%～50%范圍內時，試樣在2 100℃燒結后的體積密度和1 400℃預處理后的體積密度具有相似的下降趨勢，即體積密度均隨著亞微米級SiC細粉量增加而降低;而亞微米級Si C細粉量超過50%后，預處理后的體積密度持續下降，而試樣在2 100℃燒結后體積密度隨細粉量增加而急劇升高，兩者的變化趨勢相反。

圖2 試樣的燒結線性變化與亞微米級SiC細粉量的關系

2.2 亞微米級Si C細粉量對力學性能影響

圖3示出了燒結后亞微米級SiC細粉量對試樣常溫耐壓強度的影響。由圖3可知，隨著亞微米級SiC細粉量的增加，試樣的耐壓強度也不斷升高。因為亞微米級Si C細粉量越多燒結效果越明顯，基質與骨料之間的結合作用也越強，其強度也會隨著亞微米級Si C細粉量增加而增大。

圖3 試樣的常溫耐壓強度與亞微米級SiC細粉量的關系

2.3 亞微米級Si C細粉量對顯微結構影響

圖4示出了試樣S2、S3、S4及S5在2 100℃燒結后的掃描電鏡圖，其中S31和S32為S3兩個細節點的放大圖。

圖4 試樣燒結斷口形貌

從圖4可以看到新型SiC耐火材料中亞微米級SiC細粉基質與骨料燒結后的結合情況。S2與S3的亞微米級SiC細粉量較少，與骨料之間的結合強度也較小。S2和S3中骨料占主體，亞微米級Si C細粉作為基質只是薄弱地分散在骨料之間的狹縫處，很容易在沒有基質分布的骨料之間或骨料與基質微弱結合的區域發生破壞，這部分強度往往較低。S4中的骨料部分與亞微米級Si C細粉基質分布較為均衡，骨料之間幾乎全部被基質填充，但是未能被其緊密包覆。而S5中，基質可以將骨料完全包裹，試樣經無壓燒結后，亞微米級Si C細粉基質收縮，同時驅使骨料之間發生收縮移動使材料更為致密。S5中的基質作為材料的主體部分，構成了致密的“核-殼”結構。在S3的放大圖(S31和S32)中，從骨料和基質結合部分的形貌可以看出，亞微米級Si C細粉作為基質牢固地包覆在骨料表面，從圖中也可以看到亞微米級SiC細粉燒結后出現了生長現象。由此可見，該新型SiC質耐火材料具有介于陶瓷與傳統耐火材料之間的特性，是一種特殊的自復合直接結合SiC耐火材料。

2.4 Si C細粉粒徑對燒結性能影響

按照表3中S3的實驗配方，將基質含量為30%的0.45μm亞微米級Si C細粉全部替換為2.5μm微米級SiC細粉，其他條件均不變，所得試樣記為μB3。將μB3試樣在2 100℃燒結。

在骨料部分均采用0.5～0 mm SiC、細粉量為30%的情況下，μB3試樣(以2.5μm微米級Si C細粉為基質)與S3試樣(以0.45μm亞微米級SiC細粉為基質)的燒結性能示于圖5。由圖5可知，S3試樣的線性收縮率和顯氣孔率要明顯高于μB3，但是其體積密度及耐壓強度均低于μB3。這說明當新型SiC耐火材料基質含量為30%，且燒結線性變化不大時，雖然微米級細粉的燒結活性(2.86 g/cm 3 )低于亞微米級細粉(3.02 g/cm 3 ，見表2)，但微米級細粉試樣的燒結體積密度仍可以較高。

圖5 試樣μB3與S3燒結后的性能比較

2.5 微米級及亞微米級Si C細粉復合基質對燒結性能影響

根據李小池等 [ 3 ] 的SiC顆粒級配優化理論研究結果可知，當骨料部分1.43～0.5 mm、0.5～0 mm和240目分別為35%、20%、5%時可以達到最優級配。再結合祝洪喜等 [ 4 ] 的研究，將D 50 =3.5μm、D 50 =2.5μm、D 50 =0.45μm這3種Si C細粉進行配比，研究了表2中HB3-1、HB3-2和HB3-3混合細粉作為基質時對試樣燒結性能的影響。該試驗配方列于表4。

表4 細粉基質的級配實驗

表4 細粉基質的級配實驗

表4中的H1、H2、H3及C(對照組)試樣燒結后的線性變化及體積密度示于圖6。

圖6 試樣燒結后的性能比較

由圖6可知，試樣燒結后的線性收縮率幾乎都大于2%，參照組C組的線性收縮率最大，即亞微米級SiC細粉全部為基質的新型SiC耐火材料試樣的燒結活性要優于采用混合細粉為基質的H1、H2與H3試樣的燒結活性。當細粉量為40%時，試樣燒結后的體積密度變化與成型時體積密度變化是一致的(H1、H2、H3、C的成型體積密度分別為2.59 g/cm 3 、2.52 g/cm 3 、2.56 g/cm 3 、2.52 g/cm 3 ，燒成后的體積密度為圖6中的2.72 g/cm 3 、2.64 g/cm 3 、2.69 g/cm 3 、2.65 g/cm 3 );H1、H2與H3之間的線性收縮率也有明顯的變化，這是由于基質部分不同粒徑Si C細粉的比例不同，微米級及亞微米級Si C細粉之間存在一定的級配作用，使得試樣在燒結時線性收縮率不同。

試樣燒結后的常溫抗折強度比較示于圖7。由圖7可知，參照組C組的常溫抗折強度最大，即全部采用0.45μm亞微米級SiC細粉的B3作為基質燒結后，雖體積密度不如H1、H2和H3高，但其力學性能是最優的。

圖7 試樣燒結后的抗折強度比較

3 結論

(1) 0.45μm亞微米級SiC細粉作為基質加入0.5～0 mm骨料時，試樣的燒結性能會有較大的變化，燒結線性收縮率隨其含量增加而增加，燒結體積密度和顯氣孔率的拐點在50%處，試樣的力學性能也隨著亞微米級SiC細粉量的增加而增大。

(2)在微米級、亞微米級SiC細粉量為30%時，將2.5μm微米級細粉替代0.45μm亞微米級細粉后，雖然試樣的線性收縮率降低，但試樣燒結后體積密度有一定程度的提高，且燒結后力學性能也有改善。

(3)在微米級、亞微米級Si C細粉量為40%時，將單純為0.45μm亞微米級細粉替換為3.5μm、2.5μm、0.45μm這3種不同粒徑、不同級配的混合細粉時，雖然試樣的線性收縮率有不同程度降低，但是其成型體積密度及燒結后體積密度均有一定程度的提高，且全部采用0.45μm亞微米級Si C細粉基質的試樣力學性能最優。