1、第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-11-25基金项目:吉林省教育厅科学研究资助项目(JJKH20190832KJ);吉林市科技创新发展计划项目(201831777)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0035-06造孔剂对低温制备多孔 SiC陶瓷性能的影响解玉鹏1*，徐俊2(1吉林化工学院 理学院，吉林 吉林132022;2吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林132022)摘要:以三元体系 Al2O3-Y2O3-SiO2作为 SiC 粉
2、末的烧结助剂，石墨烯、淀粉、鳞片石墨为造孔剂，低温制备高孔隙率的多孔碳化硅陶瓷。探讨了造孔剂的种类对多孔碳化硅陶瓷的体积密度、气孔率和弯曲强度的影响，分析了多孔碳化硅陶瓷的相组成和显微结构。研究结果表明:(1)该体系中石墨烯的造孔效果优于淀粉和鳞片石墨的造孔效果，且以石墨烯为造孔剂的多孔 SiC 陶瓷的抗弯强度要高于以鳞片石墨为造孔剂的多孔 SiC 陶瓷，低于以淀粉为造孔剂的多孔 SiC 陶瓷。(2)在 1400 下以不同的造孔剂烧结制得多孔 SiC 陶瓷的孔隙率在 5334%5682%范围内，其抗弯强度为 14861747 MPa。(3)使用不同的造孔剂并未改变碳化硅陶瓷物相组成。关键词:碳
3、化硅;烧结助剂;造孔剂;气孔率中图分类号:TM 285文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301008大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn碳化硅是强共价键化合物，因此多孔碳化硅(SiC)陶瓷材料具有着低密度、高强度、耐高温、耐酸碱腐蚀性等优异特点用1-4，其在冶金、化工、高温烟雾降尘、水处理等方面得到了广泛的应用5-8。由于 SiC 强的共价键特性使其在不使用烧结助剂的情况下，其烧结温度需高于 2 000 9-11，使用具有相对较低熔融温度和较低烧结温度的氧化物烧结助剂可以大幅降低其烧结温度12，13，但同时烧结助剂还
4、可以提供适当的孔隙结构和机械性能。孔隙率是影响多孔陶瓷的性能的重要技术指标14，通常高孔隙率的多孔陶瓷具有良好的隔热和过滤性能，但同时高孔隙率陶瓷的机械性能一般较差15。因此如何制备出高孔隙率且具有较优的机械强度碳化硅陶瓷依然是目前研究的热点。本研究是在使用以三元体系 Al2O3-Y2O3-SiO2作为 SiC 粉末的烧结助剂的基础上，分别添加了石墨烯、淀粉和鳞片石墨三种造孔剂作为研究对象。目的在于制备出高孔隙率且具有较优异的弯曲强度的多孔 SiC 陶瓷。1实验部分11试剂与仪器XD 扫描测试选用的仪器为德国布鲁克公司生产的 D8 型转靶 X-射线衍射分析仪;采用阿基米德(Archimedes
5、)排水法，按照 GB299782 规定，进行测试烧结后样品的密度和气孔;抗弯测试的为上海久滨有限公司 5960 型号的万能电子试验机，采用三点弯曲法进行了测试弯曲强度;采用JEOL 公司 JSM-6490LV 型扫描电子显微镜，观察样品的断口微观结构和晶粒生长情况，扫描电压为 5 kV，采用日本电子株式会社(JEOL)的电子场发射透射电镜 JEM-F200，观察样品的电子衍射与高分辨图。12实验过程将 SiC(上海水田材料科技有限公司生产，10 m)、氧化铝(Al2O3，上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产，100 nm)、氧化钇(Y2O3，上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产 1 m)、聚乙烯醇
6、(PVA)、与不同的造孔剂(石墨烯、淀粉、鳞片石墨)与无水乙醇按一定的质量混合(表 1)。采用滚筒球磨机球磨 24 h，将混好的原料放入干燥箱中以 60 充分干燥后，在玛瑙研体中手工研磨40 min 后，过筛制成粉体，将粉体装与磨具中，在80 MPa 压力下保压 10 min 制成生坯。置于高温管式烧结炉中，在氮气气氛条件下，1 400 保温2 h 制成的多孔 SiC 陶瓷(具体实验流程见图 1)。表 1使用不同的造孔剂的多孔碳化硅陶瓷的配方设计SiCAl2O3Y2O3PVASiO2造孔剂A(石墨烯)73743310B(淀粉)73743310C(鳞片石墨)73743310%图 1多孔 SiC
7、陶瓷烧结流程图2结果与讨论21造孔剂对多孔 SiC 的体积密度和孔隙率的影响图2 是分别加入了不同的造孔剂在1400 下烧结而成的多孔 SiC 陶瓷的体积密度和气孔率。由图 2 可见:添加了造孔剂为淀粉的试样 B 其体积密度明显高于试样 A 和试样 C，同样可以看出试样B 的气孔率为三者之中最低的。从一定程度上可以说明相同试样的体积密度和气孔率呈现负相关。添加造孔剂为石墨烯或鳞片石墨时的试样 A 与试样 C，他们之间的体积密度和气孔率相互接近。试样编号(a)试样编号(b)图 2SiC 多孔陶瓷的体积密度与气孔率22造孔剂对多孔 SiC 的抗弯强度的影响图 3 是分别添加造孔剂为石墨烯、淀粉或鳞
8、片石墨时的多孔 SiC 陶瓷试样 A、B、C 的抗弯强度。其中添加造孔剂为淀粉的多孔 SiC 陶瓷的抗弯强度最高，达到了 1747 MPa，而添加石墨烯和添加鳞片石墨的试样 A 与试样 C 抗弯强度明显低了很多。随着气孔率的增加，多孔 SiC 陶瓷的体内孔结构也随之增加，导致 SiC 骨架承受外界的作用力的能力就表现的越差。而试样 A 的孔隙率高于试样 C，他的抗弯强度也高于试样 C，这可能是石墨烯在一定程度上起到了增韧的效果，使得试样 A 表现出来的抗弯强度高于试样 C。试样编号图 3SiC 多孔陶瓷的弯曲强度23碳化硅的物相组成图 4 是在1400 添加不同的造孔剂情况下，生成的多孔碳化硅
9、陶瓷的 XD 图谱。由图 4 可以明显看出其产物主晶相为-SiC 和-SiC，也有钇铝石榴石(YAG)和 Y2Si2O7，除此以外还有剩余未反应的 SiO2、Al2O3。其中钇铝石榴石主要是由 Y2O3和 Al2O3反应生成的，而 Y2Si2O7是由Y2O3和 SiO2反应生成的。添加不同的造孔剂情况下多孔 SiC 陶瓷的不同衍射峰可以看出，多孔63大学物理实验2023 年SiC 陶瓷的物相组成基本没有发生改变，这表明了添加不同的造孔剂对多孔 SiC 陶瓷的物相组成并不会有所影响。2图 4SiC 多孔陶瓷的 XD 图谱而对于添加不同的造孔剂烧结而成多孔 SiC陶瓷的衍射峰强度有略微变化，这可能
10、是碳化硅陶瓷体内的多孔结构使 SiC 陶瓷的结晶度有略微增减所造成的结果。24造孔剂对 SiC 多孔陶瓷的微观结构的影响图 5 显示的是添加了不同的造孔剂烧结而成的多孔 SiC 陶瓷试样 A、试样 B、试样 C 的断截面的扫描电镜图。SiC 颗粒通过颗粒间均匀分布的连接相(钇铝石榴石和 Y2Si2O7)紧密结合，随着添加的造孔剂不同，SiC 陶瓷体内孔洞数量也略微有所不同。相比于试样 A 和试样 C，试样 B 明显更加紧密，断裂时留下了明显的颗粒拔出而造成的孔洞，在另一方面验证了试样 B 具有了不同于试样 A 和试样 C 的孔隙率和抗弯强度等物理性能。试样 A 的 5 000 倍放大图(d)中
11、有着明显的石墨烯薄片，石墨烯具有着较好的物理性能，且石墨烯片多处出现了褶皱，这种褶皱状结构增大了碳化硅和石墨烯之间的接触面积，使其在受到外力的作用下断裂时，石墨烯拔出耗散了部分裂纹扩展能。通过石墨烯的桥接、拔出以及裂纹的偏转，增强了试样 A 的弯曲强度。在也就解释了试样 A 比试样 C 具有更多的孔洞，反而其弯曲强度还高于试样 C 的原因。图 5(a)(d)试样 A、(b)(e)试样 B、(c)(f)试样 C 的断口形貌图图 6 是多孔 SiC 陶瓷的烧结变化示意图。多孔 SiC 陶瓷的烧结过程影响可以分为 3 个阶段，在低于 400 的低温阶段，造孔剂、SiC 和烧结助剂等各组分都存在;当温
12、度高于 400 时，烧结进入第二阶段，其中的造孔剂逐渐与氧气发生反应被除去，留下孔洞;当其进入烧结第三阶段，烧结助剂 Al2O3、Y2O3和 SiO2逐渐熔融反应生成新晶相铝酸钇和硅酸钇，新晶相使得 SiC 颗粒之间生成了颈部连接，从而使得多孔 SiC 陶瓷具有较高的强度。73第 1 期解玉鹏，等:造孔剂对低温制备多孔 SiC 陶瓷性能的影响图 6多孔 SiC 陶瓷的烧结示意图25试样 B 的透射电镜图通过透射电镜(TEM)明场像图 7(a)可以看出多孔 sic 陶瓷由微米级的构成的，晶粒的衬度较为均匀，晶粒之间有微孪晶和高密度的层错现象。图 7(b)中显示的衍射斑点没有拉长，显示了试样良好的
13、结晶性;衍射斑点没有出现卫星斑点，说明了不同元素随机地固溶在晶格当中，并没有形成某种元素的长程有序分布。图 7(c)显示了该界 面 的 高 分 辨 图 像，SiC 与 连 接 相(YAG、Y2Si2O7)界面附近可以清楚地看见层错现象，而在高分辨图像外围可以明显地看到无定型 SiO2。由 SiC 氧化而成的 SiO2的厚度在 3 7 nm 范围内。二氧化硅壳层的粘性流动使多孔陶瓷的外部宏观孔隙造成了部分充填。图 7(d)是图 7(c)中选中区域的放大倍图，显示了 SiC 晶格间距约为025 nm，尽管在所选区域内原子平面是有序的，但在图 7(c)中所选区域附近仍可以观察到一些平面的畸变和位错，
14、造成这种畸变的原因可能是晶面区存在一些杂质，如残留的氧化物或化学反应产物等，而这些杂质没有被液相烧结过程中完全去除掉。图 7造孔剂为淀粉的试样的透射电镜图83大学物理实验2023 年图 8 是造孔剂为淀粉的试样 B 的元素分析图，从 TEM 图像元素映射证实了 SiC 颗粒间通过Al2O3、Y2O3反应生成的颈部相(YAG、Y2Si2O7)连接，从图像表现的结果来看，Si、Al、Y 元素分布均匀度较好，说明使用三元助剂 Al2O3-Y2O3-SiO2作为多孔 SiC 陶瓷的烧结助剂的有效性。对烧结过程中起到很好的连接作用，从而有效地降低了烧结的温度。图 8造孔剂为淀粉的试样的元素分析图3结语(
15、1)该体系中石墨烯的造孔效果优于淀粉和鳞片石墨的造孔效果，且以石墨烯为造孔剂的多孔 SiC 陶瓷的抗弯强度高于以鳞片石墨为造孔剂的多孔 SiC 陶瓷，低于以淀粉为造孔剂的多孔 SiC陶瓷。(2)在 1 400 下以不同的造孔剂烧结成到多孔 SiC 陶瓷的孔隙率在 5334%5682%范围内，其抗弯强度在 14861747 MPa。(3)使用不同的造孔剂均没有对碳化硅陶瓷物相组成有所影响。参考文献:1 OHJI T，FUKUSHIMAM Macro-porousceramics:processing and propertiesJ International Materialseviews，20
16、12，57(2):115-131 2 SCHAAFHAUSEN S，YAZHENSKIKH E，HEIDENEICHS，et alCorrosion of silicon carbide hot gas filter candles ingasification environmentJ Journal of the EuropeanCeramic Society，2014，34(3):575-588 3 LIU C Y，TUAN W H，CHEN S C Preparation ofporous SiC ceramics for thermal dissipation purposes J Ceramics International，2015，41(3):4564-4568 4 蔺冬雪，赵莉，王媛媛，等ZnOTiO2双层复合薄膜的制备及其光学性能的研究J 大学物理实验，2022，35(1):25-29 5 周剑，江倩，杨怡，等烧结助剂对低温制备碳化硅多孔陶瓷性能的影响J 化工学报，2021，72(4):2293-2299 6 EAY E，BOFFAV，JGENSENMK，etalE
