碳化硅晶须补强氧化铝复合材料制备分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 18 日 作者简介：陈承剑（1982），男，汉族，广西北海人，本科，工程师，主要从事氧化铝生产研发工作。-17-碳化硅晶须补强氧化铝复合材料制备分析 陈承剑 广西田东锦鑫化工有限公司，广西 百色 531500 摘要：摘要：氧化铝是一种耐热、耐磨、电绝缘的陶瓷材料，在工业领域被广泛应用。氧化铝与其他材料复合制备而成的氧化铝复合材料性能优越，在航空等领域拥有广阔的应用空间。碳化硅晶须硬度最高、抗拉伸强度最大，同时也耐热，主要分为型和型两种形式，被广泛地应用到了航空等领域中。将碳化硅晶须加入到陶瓷基体中能够获得性能更为卓越的氧化铝复合材料。文章介绍了氧化铝复合材料及其性能、碳化硅及碳化硅晶须，其中提到了碳化硅晶须的三种制备工艺。其次介绍了碳化硅晶须在氧化铝复合材料制备工艺中的增强机理，最后，系统化地介绍了碳化硅晶须对氧化铝复合材料化学性能的影响。关键词：关键词：碳化硅晶须；增韧补强；氧化铝复合材料；制备工艺 中图分类号：中图分类号：TB332 制备碳化硅晶须补强氧化铝复合材料以热压工艺为主，碳化硅晶须的分散程度、含量等会影响复合材料的性能。但制备成功的复合材料在高温状态下拥有更加稳定的结构，强度、硬度等性能都有所改善。氧化硅的应用范围被进一步扩大。为了保障氧化硅复合材料即 AS 复合材料制备质量，要深入研究制备工艺，了解碳化硅晶须对复合材料的影响。1 相关材料介绍 1.1 氧化铝复合材料 氧化铝复合材料是氧化铝与其他材料相结合的产物，包括金属材料、其他陶瓷材料等。其性能优势包括高强度、耐腐蚀、高温稳定。第一，氧化铝本身具有很高的强度，并且在高温状态下，其结构和性能能够保持稳定。所以，含有氧化铝成分的氧化铝复合材料也具备高强度的性能，能够承受数值较大的压力，且耐久性良好。第二，氧化铝即使在恶劣的化学环境中也能够保持性能和结构上的稳定，强酸、强碱不会对氧化铝造成破坏。所以，制备而成的氧化铝复合材料耐腐蚀性良好。第三，氧化铝的化学性质不会因环境温度的变化而发生变化。所以，制备而成的氧化铝复合材料能够在高温环境中保持一定的稳定性。1.2 碳化硅及碳化硅晶须 1.2.1 碳化硅 碳化硅，化学式为 SiC，是一种经由电阻炉高温冶炼而成的物质，经济性高，被广泛应用于各领域中。碳化硅被分为黑碳化硅和绿碳化硅两类。黑碳化硅的制备原料是石英砂、优质硅石等；绿碳化硅的制备原料除了优质硅石外，还包括石油焦和作为添加剂的食盐。两种碳化硅的硬度都介于刚玉与金刚石之间。碳化硅因高硬度、化学性质稳定、高熔点、化学惰性等性能特征被应用到了陶瓷、硬质合金、高速钢道具、碳化硅陶瓷制品等制作工艺中。1.2.2 碳化硅晶须 碳化硅晶须是一种合成物质，其硬度是所有合成晶须中最高的一种，型和型是碳化晶须的两种形式，通常情况下，型碳化晶须在性能等方面要优于型碳化晶须，硬度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀等，被应用到飞机及特种部件的制作中1。碳化硅晶须是由气液固相的状态转变成核再进行生长。其制备工艺如下：第一，气体反应合成碳化硅晶须的气相碳源法。这种制备方法是让含碳、含硅的气体接触产生反应或是通过分解有机化合物气体的方式最终以合成的方式制备出碳化硅晶须。第二，固态材料在高温环境中变成气相，之后载气、分隔，最终获得碳化硅晶须，即固相碳源法。第三，液相碳源法。以水解的方式获取溶胶，通过处理加工溶胶的方式获得材料。其优势在于成本低、无污染，其劣势在于结晶性差。2 碳化硅晶须在氧化铝复合材料制备工艺中中国科技期刊数据库 工业 A-18-的增强机理 碳化硅即 SiCW 在复合材料制备中起到增强、增韧的作用。制备氧化铝复合材料时，将 SiCW 作为一种增强组元加入到基体中，能够提升氧化铝复合材料的性能，拓宽氧化铝复合材料的应用范围。应用碳化硅晶须补强氧化铝复合材料，要想充分发挥碳化硅晶须的增强增韧的作用效果，需要经过四种增强方式。2.1 晶须的拔出效应 基体裂纹在扩散的过程中，会在遇到高于基体硬度的晶须时出现接触界面会产生剪切应力，在剪切应力的作用下，断裂尖端晶须不断抽出的过程被称为晶须拔出效应。氧化铝复合材料韧性在晶须拔出效应作用下得到增强，是因为不会断裂的碳化硅晶须会沿着基体拔出，在拔出的过程中产生的摩擦反作用力会抵消外界载荷能力，期间形成的裂纹会吸收能量，这个过程促进了氧化铝复合材料韧性的增强。碳化硅晶须内部晶粒的特性等因素会影响碳化硅晶须的拔出效应。剪切应力的大小决定着晶须是否会断裂，是否会产生拔出效应。剪切应力相对较小时，晶须拔出效应明显，对氧化铝复合材料的增韧效果最佳。在剪切应力逐渐增大的过程中，碳化硅晶须的拔出效应处于逐渐减弱的状态，也就是说，对氧化铝复合材料的增韧作用效果在逐渐减弱，当剪切应力增加到一定数值后，碳化硅晶须会因为断裂而无法拔出，无拔出效应产生，碳化硅晶须对氧化铝复合物的增韧效果为零。当晶须断裂无法产生拔出效应时，可以通过裂纹偏转等方式增强复合材料性能。2.2 裂纹偏转机理 基体裂纹扩展在遇到碳化硅晶须时会发生内应力不均匀的问题。造成这一现象形成的原因是碳化硅晶须的弹性模量高于基体材料，也就是氧化铝，并且受界面作用影响，造成了内应力的变化。界面与裂纹之间的相互作用，会让裂纹自发躲避晶须，其扩展轨迹发生变化。界面与裂纹间的相互作用如下：当裂纹扩展到晶须所在位置后，会按照晶须的走向继续扩展，相较于原先的扩展轨迹，裂纹的轨迹发生了偏移。此时，裂纹的扩展路径将会呈现出相对扭曲的锯齿状。分布的扭曲的锯齿状裂纹会吸收更多的能力，与此同时，裂纹尖端的应力强度、偏转角度等都会发生变化，前者会逐渐减小，而后者会逐渐变大，此时，复合材料会得到很好的增韧效果，韧性处于不断提高的状态。裂纹与晶须相遇、裂纹偏移、因偏移形成新的裂纹，是裂纹与晶须相接触的大致过程。新裂纹的形成有助于减轻基体材料的内载荷，提升材料的韧性。2.3 裂纹桥接机理 碳化硅晶须桥接会给裂纹提供闭合应力，在闭合应力的作用下，两个裂纹会逐渐靠近。在裂纹扩展的过程中，因碳化硅晶须桥接而产生的闭合应力会不断增加2。2.4 负荷传递机理 剪切应力强度达到最大值时，拔出效应消失，此时应力会传递给相邻的碳化硅晶须。在应力传递的过程中，负荷会引起塑性形变。碳化硅晶须的力学性能会高于基体材料。所以说，碳化硅晶须能够以抵消基体材料承载的外应力的形式减小基体材料的负载应力。碳化硅晶须对基体材料的增强增韧作用一直持续到晶须最大剪切强度低于塑性形变的应力强度。总的来说，碳化硅晶须的四种增强方式，无论是以单体作用的形式还是以综合作用的形式作用在基体材料上，都能够起到提升基体材料韧性的效果。除此之外，碳化硅晶须补强氧化铝复合材料的制备效果也受氧化硅形核及生长、碳化硅晶须的分散性、碳化硅晶须的添加量等因素影响。3 碳化硅晶须对氧化铝复合材料化学性能的影响 3.1 制备工艺 3.1.1 碳化硅晶须补强防弹装甲氧化铝陶瓷基复合材料制备工艺 第一，材料详情。复合陶瓷材料其主要原料为氧化铝，并含有体积占比在 5%以上、80%以下的碳化硅晶须，其密度在 3.6g/cm3以内，不低于 3.1g/cm3，断裂韧性、冲击韧性分别在 4.5MPam1/2、9kJm-2以上。第二，制备流程。配置含有氧化铝和碳化硅晶须两种主要成分的水基浆料。之后，陆续完成水基浆料的分散处理、冷冻铸造、真空干燥处理、施压成型、去有机质物质、烧结致密化等各项工艺。先冷冻铸造后真空干燥处理主要是为了获取多孔胚体，其内部呈中国科技期刊数据库 工业 A-19-现定向片层结构。给胚体施加压力使其成型。压力的施加方向要垂直于片层结构方向。通过烧结致密化处理能够提升复合材料的韧性和其他性能。以冷冻铸造工艺凝固浆料的具体流程：凝固浆料时，需要沿一定的方向做定向冷却，确保浆料沿着定向的方向冷却并沿着定向的方向生长冰晶。并利用生长出来的冰晶将包括碳化硅晶须在内的物质排挤到冰层中。采用的真空干燥工艺具体内容：凝固后的浆料需要被放在真空环境中，要求真空度在 10Pa 以内，此时，真空环境的温度应不高于零下三十度。浆料在真空环境中的具体放置时间应控制在 240 小时以内，最少不少于 12 小时。取出后的浆料会成为多孔胚体，其内部呈现为孔隙率在90%以内且高于30%的定向片层结构。去有机质工艺的具体内容：将多孔胚体放在温度在 700以内且不低于 300的环境中加热半小时以上，不超过 5 小时。烧结致密化工艺要求将温度控制在 1450以上，不超过 200。第三，制备成果。经过处理后的氧化铝复合材料其韧性和其他性能得到了提升，成为了更加耐久的一种复合陶瓷基材料。3.1.2 其他制备工艺 补强氧化镁/氧化铝碳免烧耐火材料的制备工艺流程：首先，获得包括质量比在 8%以内不低于 2%的硅粉在内的混合粉料，之后，制作第一混合料，将粒径在3mm 以内、质量占比在 28%以上不低于 33%的大粒径电熔镁砂混合到活性氧化铝粉中。制作第二混合料，是在第一混合料的基础上将热固型酚醛树脂稀释液混入其中。制作第三混合料，在第二混合料的基础上，将粒径在 1mm 以内不小于 0.9mm、质量占比在 19%以上不超过 24%的中粒径电熔镁砂混合其中。其次，利用上述配置的材料搭配直径在 0.09mm 以内、质量占比在 29%以上不超过 34%的小粒径电熔镁砂和质量占比在 6%以内不低于 3%的石墨粉等材料，经过分布混合、压制的方式获取氧化镁/氧化铝碳免烧耐火材料。其中压制环节的压力应在 50MPa 以上，不超过100MPa。然后，采用烧结工艺，利用碳化硅晶须增强该材料的各项性能。通常情况下需要将干燥温度控制在220以内且高于 180。3.2 影响因素 第一，不同的碳化硅晶须含量以及烧结条件会对复合材料的力学性能产生不同程度的影响，其中，碳化硅晶须含量会产生相对明显的影响。碳化硅晶须含量与体系相对密度之间的关系是：当体系相对密度会随着碳化硅晶须含量的增加而下降。形成这种关系的原因在于在温度、压强等条件一定时，平均剪切应力会随着碳化硅晶须含量的增加而增大，此时烧结速率呈现下降的趋势。晶须也影响了胚体气孔的排除。过高含量的碳化硅晶须很难实现均匀分布，在此条件下形成的骨架会产生架桥等作用，随之而来的便是体系相对密度的降低3。第二，添加剂的影响分析。碳化硅晶须补强氧化铝复合材料时会使用添加剂以达到细化晶粒、高扩散途径等作用效果。以 MgO 和 Y2O3两种添加剂为例，在助力烧结工艺的同时也对氧化铝复合材料的力学性能产生了负面影响。第三，添加不同质量分数的碳化硅在同样的烧结工艺下，会获得性能不同的氧化铝复合材料。当氧化硅质量分数在 10%以内、0%以上时，获得了复合陶瓷基材料的最大弯曲强度。在氧化铝复合材料断裂韧性最大时，碳化硅晶须有效地提高材料的韧性4。第四，温度影响碳化硅晶须的增强作用。虽然在室温环境中，碳化硅晶须受应力影响，但实际上依旧以拔出效应、晶须桥接两种增强作用形式为主，此时，裂纹偏移相对明显，整体来说，碳化硅晶须增强机理作用效果相对良好，氧化铝复合材料其韧性得到了一定水平的提升。在温度不断升高的状态下，晶须拔出效应消失，碳化硅晶须的增强机理以其他三种增强方式为主。总的来说，虽然碳化硅晶须补强氧化铝复合材料以烧结工艺为主，但受温度、晶须含量、烧结条件等多种影响，碳化硅晶须增强机理作用效果是不同的。为了保障氧化铝复合材料增强机理作用效果，需要严格控制各影响因素。4 结束语 碳化硅晶须补强氧化铝复合材料制备优化了氧化铝复合材料的性能，提升了氧化铝复合材料的韧性，拓宽了氧化铝复合材料的应用范围。不同的制备工艺会对氧化铝复合材料的力学性能产生不同的影响效中国科技期刊数据库 工业 A-20-果。为了保障氧化铝复合材料性能优化效果，相关人员要明确碳化硅晶须的增强机理，了解各影响因素，以及研究出解决方案。参考文献 1廖婷婷,李萌崛,陈德平,江万勇,陈嘉鑫.Co,Ni,Ti 增韧氧化铝/碳化硅刀具复合材料的制备及性能评价J.工具技术,2022,56(8):52-55.2龙凌吟,朱俊,张丹暇,江寒梅,王如转,邸永江,何辉超,韩涛,刘伟廷,贾碧.碳化硅晶须增强复合材料性能研究进展J.功能材料,2023,54(11):11091-11098.3冻瑞岚,彭志航,向阳,曹峰.氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的组成及制备工艺的研究进展J.材料工程,2023,51(10):27-41.4黄兆阁,汪圣尧,李秉辉,夏琳.聚苯硫醚/聚酰亚胺/氧化铝复合材料的制备与性能J.青岛科技大学学报:自然科学版,2023,44(4):78-83.