生物質SiC陶瓷基復合材料的反應熔滲制備與結構性能研究.pdf

1、生物質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、耐腐蝕、耐磨損和抗氧化等優(yōu)良性能外，還具有原材料來源廣泛，制備成本低和生物相容性好等優(yōu)點，在機械、化工、催化和生物醫(yī)學等領域具有廣闊的應用前景，因而成為近年來國內外廣泛研究的一類環(huán)境友好型材料。本文具有創(chuàng)新性的以稻殼作為原材料，對其高溫裂解成碳化硅和碳后直接制備成預制件，或再在預制件中添加Mo粉和SiC粉（0.5μm），通過采用Si和Fe-Si合金對預制件進行反應熔滲，

2、制備了多種具有不同組織結構特征的SiC陶瓷基復合材料。采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡和元素分析等材料分析方法研究了稻殼高溫裂解參數(shù)對裂解產物的相結構和形貌的影響;研究了熔滲反應溫度、預制件中Mo粉和SiC粉的添加及其添加量等參數(shù)對制備的SiC陶瓷基復合材料的組織結構和機械性能的影響，并分析了不同組織結構的復合材料的斷裂機制。
　　研究結果表明，稻殼于900℃碳化后再在Ar氣氛下經1550℃碳熱還原反應6h，生成了含SiC晶須(

3、SiCw)、顆粒和碳的混合物，其中碳含量經燃燒法測定約為65wt.％。SiC晶須的平均直徑約200nm，長數(shù)十微米。該碳熱還原反應產物經球磨分散后等靜壓成型制備成預制件，對其進行液Si反應熔滲，可獲得致密的含SiC晶須和細小SiC顆粒的SiCw/SiC-Si復合材料。預制件中的SiC晶須在復合材料里得到很好的保留，對復合材料起到增強增韌作用。產物中的碳與液Si反應，生成了細小的SiC顆粒。在1550℃保溫1h熔滲條件下獲得的復合材料致密

4、度高、綜合機械性能好，其維氏硬度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性值分別為18.8±0.6GPa、354±2GPa、450±40MPa和3.5±0.3MPam1/2。而太低的熔滲溫度(1450℃)和太高的熔滲溫度(1600℃)時，前者由于熔滲反應動力不足，后者由于Si的過量揮發(fā)，復合材料中均存在一定量的殘留碳，不利于材料的機械性能。
　　通過在稻殼碳熱還原產物制備的預制件中添加SiC粉可獲得高致密度的SiCw/SiC-Si復合材料。隨

5、著預制件中SiC加入量的增加，復合材料中SiC和Si兩相的平均顆粒尺寸逐漸下降，兩相分布愈加均勻。復合材料的彎曲強度隨著少量（20wt.％）外SiC的加入，先略下降，后隨著SiC加入量的進一步增加（40wt.％及以上）其彎曲強度不斷增加。當SiC加入量為80wt.％時，復合材料具有最高的彎曲強度590MPa。強度的提高主要來自于復合材料中SiC顆粒的彌散強化作用。復合材料的斷裂韌性隨著SiC的添加先略微下降，而后當SiC加入量增加至40

6、wt.％時，達到最大值4.0±0.3MPam1/2，但SiC加入量繼續(xù)增加至60和80wt.％時，斷裂韌性值又下降，但維持在3.4MPam1/2。復合材料的維氏硬度從預制件中未添加SiC時的18.6GPa增加到添加20wt.％SiC時的21GPa，但隨著預制件中SiC添加量進一步增加逐漸下降，至添加80wt.％的17.3GPa。復合材料的機械性能是復合材料中SiC晶須含量、SiC顆粒尺寸及其分布和殘余Si含量綜合作用的結果。
　　

7、稻殼碳熱還原反應產物與10-30wt.％的Mo粉混合制備的預制件經液Si反應熔滲，可獲得致密的含SiCw的SiCw/MoSi2-SiC復合材料。預制件中的Mo在熔滲過程中與Si反應，生成MoSi2。該方法可在較低的制備溫度下獲得SiC/MoSi2復合材料。復合材料中MoSi2的引入提高了復合材料的彈性模量和斷裂韌性，但是降低了其彎曲強度。當復合材料中MoSi2的含量為11wt.％時，復合材料具有最高的斷裂韌性值，為4.1MPam1/2。

8、而較低的MoSi2含量，對斷裂韌性的改善不明顯;較高的MoSi2含量，導致復合材料中過高的殘余應力，會降低材料的斷裂韌性。
　　向稻殼經900℃碳化后的粉體材料中添加15-45wt.％的不同量SiC粉，混合分散后制備成預制件，再經1550℃碳熱還原反應后通過熔滲FeSi2合金，獲得了SiC/Fe-Si復合材料。熔滲過程中預制件中的碳與FeSi2合金中的Si反應生成SiC，而FeSi2由于部分Si被消耗，冷卻后部分轉變成FeSi相。

9、隨著預制件中SiC添加量增加，復合材料中FeSi2量增加，F(xiàn)eSi量減小。復合材料的硬度、楊氏模量、彎曲強度和斷裂韌性均隨著SiC加入量增加到30wt.％而逐漸增加，分別達到18.2GPa、290GPa、213MPa和4.9MPam1/2。其中斷裂韌性遠高于普通反應熔滲SiC陶瓷。該復合材料中SiC顆粒細小，分布均勻。而當SiC加入量繼續(xù)增加至45wt.％時，由于復合材料中線膨脹系數(shù)差別較大的FeSi2和FeSi兩相含量差別進一步增加，

10、復合材料中殘余應力過大，產生微裂紋，除硬度外各機械性能值下降。與熔滲Si相比，由于Fe-Si合金具有相對較高的韌性，復合材料的斷裂韌性得到明顯提高。
　　以稻殼碳熱還原反應產物為原材料通過熔滲反應制備的SiCw/SiC-Si復合材料中的SiC晶須對復合材料起到增韌強化作用，在材料的斷裂過程中存在SiC晶須和細小SiC的拔出，這均有利于復合材料斷裂韌性的提高。但復合材料中也存在明顯的大SiC顆粒和Si相的穿晶斷裂。SiCw/SiC-