生物质SiC陶瓷基复合材料的反应熔渗制备与结构性能研究

【摘要】：生物质SiC陶瓷材料除具有普通SiC陶瓷材料所具有的低密度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化等优良性能外,还具有原材料来源广泛,制备成本低和生物相容性好等优点,在机械、化工、催化和生物医学等领域具有广阔的应用前景,因而成为近年来国内外广泛研究的一类环境友好型材料。本文具有创新性的以稻壳作为原材料,对其高温裂解成碳化硅和碳后直接制备成预制件,或再在预制件中添加Mo粉和SiC粉(0.5μm),通过采用Si和Fe-Si合金对预制件进行反应熔渗,制备了多种具有不同组织结构特征的SiC陶瓷基复合材料。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和元素分析等材料分析方法研究了稻壳高温裂解参数对裂解产物的相结构和形貌的影响；研究了熔渗反应温度、预制件中Mo粉和SiC粉的添加及其添加量等参数对制备的SiC陶瓷基复合材料的组织结构和机械性能的影响,并分析了不同组织结构的复合材料的断裂机制。 研究结果表明,稻壳于900℃碳化后再在Ar气氛下经1550℃碳热还原反应6h,生成了含SiC晶须(SiCw)、颗粒和碳的混合物,其中碳含量经燃烧法测定约为65wt.%。SiC晶须的平均直径约200nm,长数十微米。该碳热还原反应产物经球磨分散后等静压成型制备成预制件,对其进行液Si反应熔渗,可获得致密的含SiC晶须和细小SiC颗粒的SiCw/SiC-Si复合材料。预制件中的SiC晶须在复合材料里得到很好的保留,对复合材料起到增强增韧作用。产物中的碳与液Si反应,生成了细小的SiC颗粒。在1550℃保温1h熔渗条件下获得的复合材料致密度高、综合机械性能好,其维氏硬度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性值分别为18.8±0.6GPa、354±2GPa、450±40MPa和3.5±0.3MPa m1/2。而太低的熔渗温度(1450℃)和太高的熔渗温度(1600℃)时,前者由于熔渗反应动力不足,后者由于Si的过量挥发,复合材料中均存在一定量的残留碳,不利于材料的机械性能。 通过在稻壳碳热还原产物制备的预制件中添加SiC粉可获得高致密度的SiCw/SiC-Si复合材料。随着预制件中SiC加入量的增加,复合材料中SiC和Si两相的平均颗粒尺寸逐渐下降,两相分布愈加均匀。复合材料的弯曲强度随着少量(20wt.%)外SiC的加入,先略下降,后随着SiC加入量的进一步增加(40wt.%及以上)其弯曲强度不断增加。当SiC加入量为80wt.%时,复合材料具有最高的弯曲强度590MPa。强度的提高主要来自于复合材料中SiC颗粒的弥散强化作用。复合材料的断裂韧性随着SiC的添加先略微下降,而后当SiC加入量增加至40wt.%时,达到最大值4.0±0.3MPa m1/2,但SiC加入量继续增加至60和80wt.%时,断裂韧性值又下降,但维持在3.4MPa m1/2。复合材料的维氏硬度从预制件中未添加SiC时的18.6GPa增加到添加20wt.%SiC时的21GPa,但随着预制件中SiC添加量进一步增加逐渐下降,至添加80wt.%的17.3GPa。复合材料的机械性能是复合材料中SiC晶须含量、SiC颗粒尺寸及其分布和残余Si含量综合作用的结果。 稻壳碳热还原反应产物与10-30wt.%的Mo粉混合制备的预制件经液Si反应熔渗,可获得致密的含SiCw的SiCw/MoSi2-SiC复合材料。预制件中的Mo在熔渗过程中与Si反应,生成MoSi2。该方法可在较低的制备温度下获得SiC/MoSi2复合材料。复合材料中MoSi2的引入提高了复合材料的弹性模量和断裂韧性,但是降低了其弯曲强度。当复合材料中MoSi2的含量为11wt.%时,复合材料具有最高的断裂韧性值,为4.1MPa m1/2.而较低的MoSi2含量,对断裂韧性的改善不明显；较高的MoSi2含量,导致复合材料中过高的残余应力,会降低材料的断裂韧性。 向稻壳经900℃碳化后的粉体材料中添加15-45wt.%的不同量SiC粉,混合分散后制备成预制件,再经1550℃碳热还原反应后通过熔渗FeSi2合金,获得了SiC/Fe-Si复合材料。熔渗过程中预制件中的碳与FeSi2合金中的Si反应生成SiC,而FeSi2由于部分Si被消耗,冷却后部分转变成FeSi相。随着预制件中SiC添加量增加,复合材料中FeSi2量增加,FeSi量减小。复合材料的硬度、杨氏模量、弯曲强度和断裂韧性均随着SiC加入量增加到30wt.%而逐渐增加,分别达到18.2GPa、290GPa、213MPa和4.9MPa m1/2.其中断裂韧性远高于普通反应熔渗SiC陶瓷。该复合材料中SiC颗粒细小,分布均匀。而当SiC加入量继续增加至45wt.%时,由于复合材料中线膨胀系数差别较大的FeSi2和FeSi两相含量差别进一步增加,复合材料中残余应力过大,产生微裂纹,除硬度外各机械性能值下降。与熔渗Si相比,由于Fe-Si合金具有相对较高的韧性,复合材料的断裂韧性得到明显提高。 以稻壳碳热还原反应产物为原材料通过熔渗反应制备的SiCw/SiC-Si复合材料中的SiC晶须对复合材料起到增韧强化作用,在材料的断裂过程中存在SiC晶须和细小SiC的拔出,这均有利于复合材料断裂韧性的提高。但复合材料中也存在明显的大SiC颗粒和Si相的穿晶断裂。SiCw/SiC-MoSi2复合材料断裂韧性的提高主要来自于适量MoSi2相的引入在复合材料中产生的适当残余应力。SiC/Fe-Si复合材料的主要增韧机制是细SiC颗粒与Fe-Si金属间化合物相的界面分离、沿SiC小颗粒的裂纹偏转以及Fe-Si金属间化合物的桥联增韧。 【关键词】：稻壳 碳热还原反应 生物质SiC陶瓷基复合材料 反应熔渗法 组织结构 机械性能
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第1章 绪论14-38
• 1.1 引言14-15
• 1.2 生物质SiC陶瓷材料15-24
• 1.2.1 生物质碳预制件的制备16-19
• 1.2.2 由生物质碳预制体制备SiC陶瓷的方法19-24
• 1.3 生物质SiC陶瓷的性能及其应用24-27
• 1.3.1 机械性能24-25
• 1.3.2 热传导性与抗氧化性能25-26
• 1.3.3 电性能26
• 1.3.4 生物相容性26-27
• 1.4 稻壳的开发与利用现状27-32
• 1.4.1 稻壳的成分与结构27-28
• 1.4.2 以稻壳为原材料制备SiC晶须28-30
• 1.4.3 由稻壳制备SiO_230-31
• 1.4.4 由稻壳制备Si_3N_431-32
• 1.4.5 以稻壳为原材料制备复合材料32
• 1.5 SiC晶须及其对陶瓷材料的强韧化32-33
• 1.5.1 拔出桥连机制32-33
• 1.5.2 裂纹偏转机制33
• 1.6 颗粒增韧机制33-34
• 1.7 本课题的提出与本文研究内容34-38
• 1.7.1 论文的选题背景与本课题的提出34-36
• 1.7.2 本文研究内容36-38
• 第2章 实验方法38-48
• 2.1 实验原材料及设备38-42
• 2.1.1 实验所用原材料和化学试剂38-40
• 2.1.2 复合材料制备所用设备及仪器40-41
• 2.1.3 熔渗体Fe-Si合金的熔炼41
• 2.1.4 稻壳的碳化与碳热还原反应41-42
• 2.2 复合材料的制备42-43
• 2.2.1 预制件的制备42
• 2.2.2 复合材料的熔渗反应制备42-43
• 2.2.3 复合材料的氧化实验43
• 2.3 材料组织结构和机械性能的测试与分析43-48
• 2.3.1 稻壳碳化和碳化硅化后的相含量与形貌结构分析43-44
• 2.3.2 预制件和复合材料微观结构的表征44
• 2.3.3 预制件和复合材料的密度测试44-45
• 2.3.4 复合材料的机械性能测试45-47
• 2.3.5 预制件、复合材料断口以及维氏压痕裂纹形貌观察47-48
• 第3章 碳热还原法裂解稻壳为SiC晶须、颗粒和碳的研究48-64
• 3.1 引言48-49
• 3.2 碳化稻壳的成分与结构49-51
• 3.3 碳热还原反应温度对稻壳裂解产物结构形貌的影响51-54
• 3.4 碳化稻壳的粉碎方式对稻壳裂解产物结构形貌的影响54-59
• 3.5 碳热还原反应产物中SiC相的形貌和晶体结构分析59-61
• 3.6 本章小结61-64
• 第4章 以稻壳为原材料通过液硅反应熔渗法制备SiC_w/Sic-Si复合材料及其结构性能的研究64-76
• 4.1 引言64-65
• 4.2 不同熔渗温度下制备的复合材料的组织结构65-70
• 4.3 不同熔渗温度下制备的复合材料的机械性能70-72
• 4.4 复合材料的断裂机理分析72-74
• 4.5 本章小结74-76
• 第5章 预制件中SiC粉的添加对SiC_w/SiC-Si复合材料组织结构和力学性能的影响76-86
• 5.1 引言76
• 5.2 预制件中不同SiC粉加入量对复合材料组织结构的影响76-81
• 5.3 预制件中不同SiC粉加入量对复合材料机械性能的影响81-82
• 5.4 复合材料中SiC的形貌、尺寸和Si含量对材料断裂模式的影响82-84
• 5.5 本章小结84-86
• 第6章 以稻壳和Mo为原材料的SiC_w/MoSi_2-SiC复合材料的熔渗反应制备及其结构性能研究86-102
• 6.1 引言86-87
• 6.2 预制件中不同Mo添加量对复合材料组织结构的影响87-92
• 6.3 预制件中不同Mo添加量对复合材料机械性能的影响92-94
• 6.4 不同MoSi_2含量的复合材料的断裂模式94-95
• 6.5 复合材料的抗氧化性能95-99
• 6.6 本章小结99-102
• 第7章 基于碳化稻壳的SiC/Fe-Si复合材料的熔渗反应制备和其结构性能研究102-116
• 7.1 引言102-103
• 7.2 预制件中不同SiC粉添加量对预制件碳热还原反应后结构形貌的影响103-105
• 7.3 预制件中不同SiC粉添加量对复合材料组织结构的影响105-109
• 7.4 复合材料的断裂机理109-111
• 7.5 预制件中不同SiC粉添加量对复合材料机械性能的影响111-113
• 7.6 本章小结113-116
• 第8章 结论和展望116-120
• 8.1 结论116-118
• 8.2 展望118-120
• 参考文献120-130
• 致谢130-132
• 个人简历132-134
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的其它研究成果134-135

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