用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷

步利用。丈量尾粉既占用贮存用地又增加生产成 本。凼此，允分利用尾粉已成为Ｓｉｃ生产厂家的当 务之急。
实验中制备ＲＢｓｃ所需的ｓｉｃ微粉全部采用国 内某两ｃ磨料生产厂家提供的收尘器中的低纯Ｓｊｃ 尾粉，通过适当的工艺制备出最高密度为３．１５ ｇ／ｃｗ， 最大抗折强度为（４４１±１０）ＭＰａ的ＲＢｓｃ陶瓷 材料。
使材料性能大大降低。
２．２．１ ｓｉ（）。对材料性能的影响
金属硅在高温
下与ｓｉ（）：不澜湿，与筠ｃ及碳的润湿角分别是３５。
第３４卷第ｌ期
武七德等：用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷
和Ｏ。。在ＲＨＳＣ陶瓷烧结过程中，Ｓｉｏｚ发生的反应 主要为
Ｓｉ（）２（ｓ）＋３Ｃ（ｓ）一ＳｉＣ（ｓ）＋２Ｃ（）（ｇ）
（１）
ｎ¨１９ ｅｉｅｃｔｒ（）ｎ ｍ【ｃｍｓｃｏｐｅ（ＳＩ；Ｍ）ｐ｝】。ｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ
ｓａｍｎｌｅ Ｎ（）．４
但材料中出现少量Ｌ（见图３ａ），强度较低仅为（３１８±
１０）ＭＰａ。根据前期工作“ｏ判断，ＳＪｃ富集区域极有
可能存在气｝Ｌ。ｓｉｃ含量较低时，烧结体内残碳量
较多使样品密度急剧下降；ｓｉｃ含量较高时，因低纯 粉中杂质及其表面ｓ－Ｏ：较多等凼素致使烧结体密
ｗｔｔｈ ｏｔｈｅｒ ｒａｗ ｍａｔｅｌ
ｒ】ａｌｓ ａｎｄ ｒｅｌｃａｓｅｄ ｇａｓ ａｔ ｈｌｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ Ｔ｝１ｅ ｓＩｎｔｅｒｅｄ ｄｅｎｓｌｌｙ（）ｆ ｔｈｃ ｍａＬｅｆｌａｌ ｍａｄｅ ｏｆ ｌｏｗ ｐｌ】ｒｌｔｙ Ｓ１Ｃ ｌｓ（３ １５＝０ ０１）ｇ／ｃｍ。
ｆｌⅢｒａｌ ａｎｄ ｔｈｅ
ｐｏｗｄｅｒｓ．
ｏｆｌｍｐｌｌⅢ１…）ｆ Ｔ１１ｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇｒａｌｎ ｓｌｚｃ ｏｆ Ｌ１】。ｐｏｗｄｅｒ】ｓ ３．５＂ｍ ｌ、ｈｅ ｌｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｐｏｗ山ｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｅ¨ａＩ。ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｆｔｌｅ８
ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ“）ｍａｔｃｎａｋ ｐｒ印ａｒｅｄ州ｔｈ ｐｕｎｆｙｌｎｇ ｐｏｗｄｔｒ ｂｙ ｈｙｄｒｏｃｈｌｏ¨ｃ ａ虬ｄ Ｔｈ ＩＩＬＩｃ ｒｏ乱ｒｕｃｔｕｒｅ
ｓＩｒｅｎＥｔｈ １ｓ（ｄ ４】±１０）ＭＰａ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍＤｅｒａｔｕｒｃ
Ｋｅｙ ｗｏ州ｓ：ｓｌｎｃｏｎ ｃａｒｈＩｄ。；ｒｅａｃＬｌ。１１ ｂｏｎｄｅｄ；ｍｌｃｒ（）ｓｔｒｕｃｔｕｒｃ
反应烧结碳化硅（ｒｅａｃｔｉｏｎ＿ｂｏｎｄｅｄ ｓ１Ｉｉｃｏｎ ｃａ卜 ｈｉｄｅ，ＲＢｓｃ）具有反应温度低且时间短，可近净尺寸 烧结，可烧结复条形状制品等优点，自５０年代发明 以来就得到人们的广泛关注”。３］。但是，传统反应烧 结Ｔ艺中所需两ｃ原料的纯度较高，因而其制备能 耗高，环境污染严重，生产成本大。目前，国内ｓｉｃ 生产厂家每年都囤积大黾的收尘尾粉。网尾粉的牲 度细，杂质含量高，成分波动大阻碍１ｒ它的进一
２ ｍｏｌ气体。温度为ｌ ６８３ Ｋ时，将发生主反应
Ｓｉ（ｓ）＋Ｃ（ｓ）一ＳｉＣ（ｓ）
（４）
反应式（４）为强放热反应，温度升高使反应式（２）
的平衡常数增大，ｃＯ等气体的体积急剧增大，此时
坯体表层已经生成具有一定强度的ｓｉｃ材料壳层。
采用ｓｉｃ细粉烧结时，坯体较密实，气体通路狭窄，
气体的快速逸出使坯体内部产生很大应力，内应
图１为低纯Ｓｉｃ微粉含量与ＲＢＳＣ抗折强度的 关系曲线。由图１可见：当ｓｉｃ含量较低时，因石油 焦用量较多，素坯的碳密度增大，烧结过程中因渗硅
万方数据
图１ 低纯ｓ·ｃ：微粉含量与ｆｔＢｓ【：抗折强度
Ｆｌｇ．１ Ｆｌｃｘｕｒａｌ ｓｔｒｃｎｇｔｈ（）ｆ ｒｃａｃｔｌ叶ｂ（）ｎｄｅｄ ｓｌｌ Ｅｃ ｃ）ｎ
扫）Ｏｐ“蒯卅Ｊｃｒｏｇｍｐｈ ０ｆ鞭ｍ—ｅ№４
图２低纯ｓ·Ｃ微粉含量与ＩｔＢｓｃ密度 Ｆｌｇ．２ Ｄｅｎｓｌ‘ｙ（）ｆ ＲＢＳＣ Ｕ５】ｏｗ ｐｕｒｃ ＳｌＣ ｃｏｎｒｅ Ｔ１ｔ
汹０ｐｃｌｃａｌ ｍｉｃ“蟛ｒ８ｐｈ㈣ｔｈ ａ ｆ神ｈ础ｃ∞
（ｂ】０ｐ｝Ｉｃｄ埘ｃｍ茚叩ｈｓ ｗｊｍ １１１鹅ｅｒ ｈｃ ｓｉ幢）
硅酸盐学报 用低纯ｓｉｃ微粉制备ｓｉｃ陶瓷，烧结体密度随 ＳＩＣ用量的变化规律如图２所示。图３为ＲＢＳＣ断 面抛光金相显微照片。圈４为样品Ｎｏ．４断面的 ｓＥＭ照片和抛光后的金相显微照片。由图２可见： ｓｊｃ占６５％时，密度出现最大值为（３．１５±ｏ．０１）ｇ／ ｃｍ３，对应素坯的碳密度为ｏ．８８ ｇ／ｃｍ。，高于用高纯 ｓｉｃ微粉制备反应烧结ｓｉｃ时的理论计算用量。一，
（１．Ｋｅｙ Ｉ，ａｂ（）ｒａｔｕｒｙ ｆｏｒ Ｓ１１Ｌｃａｔｅ ＭａｔｅｍＩｓ ｓｃ Ｌｃｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｍｌｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｌｏｎ，Ｗ１ｌｈａｎ Ｕｎｌｖｃｒｓｌｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ
ＳｔⅢＬｕ ＷｕＩ、ａｎ ４３００７０；２．Ｋｅｙ Ｌａｂ。ｒａｔｏｒｙ ｆ０１ Ｉ．１ｑｕｌｄ
Ｓｉ（）２（ｓ）＋Ｃ（ｓ）一Ｓｉ（）（ｇ）＋Ｃ（）（ｇ）
（２）
Ｓｉ０（ｇ）＋２Ｃ（ｓ）一ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）
（３）
当反应中气相组分ｓｉｏ，ｃＯ的分压低于ｐ。×ｐ。／
ｐ２＜１０叫时，式（２）的Ｇｉｂｂｓ自由能为明
△Ｇ＝６８８ ５００ ４２０．５８丁（Ｊ／ｍ０１）
温度高于１ ６３８ Ｋ时，ｌ ｍｏｌ ｓ１０。与碳反应释放
ｒｅ ａ１１ｄ Ｈｅ ｒ列Ｉ‘ｙ（】ｆ Ｍｌｎｋ【ｒｙ Ｅｄｕｃａ¨ｏｎ，
Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｊｖｅｒｓｌ‘ｙ·Ｊｌｎａｌｌ ２ｊ００６１，Ｃｈｌｎａ）
ｃａｒｂｌｄｅ（ＲＲＳ（：）ｃｃｒａｎｌｌ刚ｅｒｅ Ａｂｓｔｒ｛Ｉｃｔ：Ｒｅａｃｔｌｏｎ—ｂ（ｍｄｃｄ ｓｌＪ Ｌｃ。ｎ
Ｓｌ（：叫ｒｏ ｐｒｅｐａ ｒｅｄｗｌｔｈｉｎｄｕ“ｒ Ｌａｌ ｓｃｆａｐｓＩｏｗ ｐＬｌｍｙ
万方数据
第３４卷第１期
武七德等：用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷
·６ｌ
ｌ实ຫໍສະໝຸດ Baidu
验
将工业收尘ｓｉｃ（平均粒径为３．５“ｍ）尾粉，高 纯石油焦（ｄ”一１４．６“ｍ），实验室自制添加剂（玉米 淀粉、分子量≥３ｘ１０６的聚丙烯酰胺，按坯体成型要 求适度加入碳）及粘结剂（质量分数为１０％的聚乙
烯醇溶液）按一定比例球磨、干燥，造粒后压制成型。 在Ｎ。保护下按传统反应烧结ｓｉｃ方法烧结，升温平 均速率为１８０℃／ｈ，（１ ６５０±５０）℃保温２ ｈ。经化 学分析低纯ｓｉｃ尾粉的主要元素Ｓｉ，Ｃ，Ｏ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｃａ 的相对质量分数为６８．４０７％，２９．２３９％，２．１４１％， ｏ．２２４％．ｏ．０３５％，ｏ．０４８％。引入不同量酸洗和未 酸洗ｓｉｃ微粉制得的材料的性能见表１。
ｂｙ黜Ｉｍｍｇ ｅｌｅｃｆｒｏ㈣ｃ㈣ｃｅ）ｐ㈨ｊｄ ｏｆ ｓＩ】￡ｃｏｎ ｃａｒｂｌｄｅ ｃｃｒａｎＩｉｃｓ ｗａｓ Ｉｎｖｅｓｔｔｇａｔｅｄ
ｏ阱ｌｃａ】ｍ￡ｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ ｒｃｓｕｈｓ ｓ｝、ｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｍｅｔａｌｌｌｃ（）ｘＩｄ㈣ａｃＬｅｄ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ Ｌ１１ｅ ｎｌａｔｅｒｌａｌ’ｓ ｍｅｃｈａｎｌｃａＩ ｐｒｏｐｅｒｔｌｅｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｅｘｃｌｕｄｌｎｇ Ｓ１０２，ａｎｄ ｔｈｅ
度下降。
２．２低纯ｓｉｃ微粉中杂质对材料性能的影响
低纯ｓｉ（：微粉的杂质主要是石墨化碳物质、
ｓｉＯ：和金属氧化物。只要有合适的外加剂，石墨化
碳物质对材料制备的影响不大。但是，直¨果Ｓｉｃ表 面ｓｉＱ的含量较高且存在较多的食属氧化物，它们
均在高温Ｆ与石油焦及ｓｊ（’发生产气反应，气体量
足够大时会影响反应中的渗硅过程，使烧结体中的 气孔率增加甚至使坯体开裂，破坏材料的显微结构，
关键词：碳化硅；反应烧结；显微结构 中圈分类号：Ｔ锄７４ 文献标识码：Ａ
文章编号：０４５４ ５６ ４８（２００６）０】 ∞一０５
ＳＩＩ．ＩＣｏＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＣＥＲＡＭＩＣＳ ＰＲＥＰＡＲＥＤ ＷｌＴＨ Ｌ（）Ｗ ＰＵＲＥ ＳＩＬＩＣｏＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＭＩＣＲｏ—ＰｏＷＤＥＲＳ
ｗｕＱ２ｄＰｌ，ｓｕ～凡ｎ∥，ＪＪｘｉ４０“１，１』ＡＮ Ｔｉｗｇｙ。ｎ ２，ＨＡ０¨“２１
摘要：用工业崖料坻纯ｗ３．ｓ ｐｍ ｓｔｃ擞粉为原料，在№保护下娆结碳化硅（ｓ，ｔ、）陶瓷。研究了低纯ｓｌｃ徽粉中杂质对蜀ｃ陶瓷力学性能的 影响，对比了徽粉提纯后材料的性能‘』结构。通过扫描电镜、金相显馓镜分析材料的显微结构。结果表明：微粉杂质中ｓｔ魄、金属氧化物在 ＆ｃ烧结温度下的放气反麻是影响陶瓷材料力学性能的主耍目素。由低纯ｓ·ｃ材制得的材料的烧结密度达到（３．１ ５士ｏ ０１）ｇ／ｃｍ３，抗折强度 达到（ｄｄｌ±１０）ＭＰａ。
ｃａｒ｝）ｌｄｃ（ＲＢＳ【：）ｗ ｌ（）ｗ Ｄｕｒｅ ＳＩ（：ｃ（）ｎｔｅｎｔ
不完全而残存较多游离碳（ｆ。），ｆ。易出现在ｓｉｃ聚 集区域，大大降低材料的密度和强度。随ｓ·ｃ含鼍 的增加，石油焦的用量减少，反应更加充分。实验表 明：在丰Ｈ同的烧结制度下，反应烧结所需的初始ｓｉｃ 全部采用低纯Ｓｉｃ微粉，当质量分数为７２％叫，其强 度达到（ｄ４ｌ±１０）ＭＰａ．此时烧结体中未发现残碳， ＆Ｃ晶粒和游离硅（ｆ。．）相分布较均匀，ｆ。基本成连续 网状分布，但仍有个别较大的硅斑，因而制约样品强 度的进一步提高，此时材料的烧结密度约为（３．１ｌｊ＿ ０．０１）ｇ／ｃｍ３。观察该材料断面ＳＥＭ照片，Ｓ１（：晶粒 的结晶程度较好，晶体尺寸较均匀，不存在明显气孔。
力一旦超过材料的承受强度时，坯体便发生爆裂。
ＴａＭｅ ｌ
表１酸洗与未酸洗ｓｉｃ微粉性能的比较
ＣｏＩｎｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ＳｉＣ ｐｏｗｄｅ幅ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｃｉｄ＿ｗ丑ｓｈｉ“ｇ
用美国ＭＴｓ一８ｌｏ陶瓷测试系统以三点弯曲 法测试陶瓷样品章温强度（试样尺寸为３ ｍｍｘ ４ ｍｍ×３８ ｍｎｌ．跨距为３０ ｍｎｌ，加载速率为Ｏ．５ ｍｍ／ ｍｉｎ）。用闰产４ＸＡ金相显微镜和日本产ＪＳＭ ５６１０ＬＶ扫描电子显微镜（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅＩｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏ— ｓｃｏｐｅ，ｓＥＭ）分析样品断面的盟微结构。用Ａｒｃ¨ ｍｅｄｅｓ法测试烧结体及蹦（：素坯的密度。
２结果与讨论
２．１不同ＳｉＣ含量对材料性能的影响 传统反应烧结ｓｌｃ制备Ｉ：艺是在一定ｓｉｃ中加
入适量含碳物质，利用高温使碳和金属硅反应合成 ｓｉｃ，生成的晶体将预先加入的ｓｉｃ连接起来形成致 密结构”Ｊ。目前，一般认为反应烧结ｓｉｃ的烧结机 理是扩散或溶解凝聚机理”Ｊ。因此，如果反应中预 先加入的ＳｉＣ全部为低纯ＳｉＣ微粉，因微粉粒径小， 粒径分布窄，成型时容易开裂，成划后ｓｉｃ微粉堆积 单一，烧结时难以保证渗ｓｉ所需的毛细管力，ｓｉＣ富 集区易造成气体夹杂。此外．低纯ｓｉｃ微粉杂质多， 比表面积大，氧含量较高，因此ｓｉｃ的用量越大，成 型就越困难且引入的杂质也越多，越小利于素坯的 烧结及烧结体密度和强度的提高。
剀３ ＲＢｓｃ断面抛光金相显微照片
Ｆ１９．３
Ｌ）ｐｔｌｃａｌ ｔＩｌｌｃｒｏｇｒａｐｈｓ（）ｆ ＲＢＳＣ ｐ。１ｌｓｈ副ｓｅｃｌｌ（）ｎｓ
万方数据
（ｂ１ ｓＥＭ ｐｈｏｌｏｇｒａｐｈ甜ｓ圳Ｐｌｅ Ｎ０４
图１样品Ｎｏ ４断面抛光后金相的显微照片和ｓＥＭ
照片
Ｆｌｇ．４
Ｐｏｌｌｓｈｅｄ ｓｅｃｔｌ（）ｎｓ ｏｐｔｌｃａＩ ｎ、；ｃｒ。ｇｒａｐｈ ａｎｄ ｓｃａｎ
第３４卷第１期 ２ Ｏ ０ ６年１月
硅酸盐学报
ＪＯＵＲＮＡＬ（）Ｆ ＴＨＥ ＣＨＩＮＦＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳｏＣＩＥＴＹ
ＶｏＩ．３ ４，Ｎ（）ｌ Ｊａｎｕａｒｙ，２００６
用低纯碳化硅微粉烧结碳化硅陶瓷
武七德１，孙峰１，吉晓莉１，田庭燕２，郝慧１
１．武汉理工大学．畦酸盐材料工程教育部重点实验守，武汉４３００７０；２山东大学 材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室，济南 ２５∞６１）
收稿日期：２００ｊ—０６—１５。修改稿收到日期：ｚ００５—１０一ｌｏ 第一作者：武已德（１ ９ｔ９～），男．教授。
Ｒ戗ｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２∞５—０６ １ｊ．Ａｐｐｒｏｖｅｄ ｄａｔｅ：２００５ １０ １０ Ｆｉｒｓｔ ａ砒ｈｏｒ；ＷＵ Ｑ１小（１９４９ ）．ⅢａＩ｝＋ｐｒｏｆｅ３ｓｏＬ Ｅ—ｍｎｉ－：Ⅵ１ｑＩｆｋ＠ｎｌａｌｌ．ｗｈｕｔ ｅｄｕ ｃｎ