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SiCw对反应烧结多孔Al2TiO5复合材料的影响
2017年08月16日 10:12 仓储货架产业网
  收到初稿曰期:2013-08-13;录用曰期:2014-01-02;网络出版曰期:基金项目:国家自然基金资助项目(51072104,51272141);山东省“泰山学者”计划(ts20110828)通讯作者:崔洪芝(1965?),女,山东省泰山学者特聘教授,博士,主要从事等离子表面改性、金属间化合物材料的研宄,发表论文60余篇,钛酸铝(AUiOs,简称AT)陶瓷材料因具有高熔点(1860°C)、优异的抗热震性能(AT1100°C)、低热膨胀系数(9.5x10-6°C-1)和低热导率等优良性能而被视为具有广阔应用前景的结构材料。但是Al2Ti5陶瓷材料有两个明显缺点:一是在900-1280C时分解成a-Al23和金红石型Ti2;另一个是由于热膨胀系数的各向异性而使材料存在大量微裂纹,使材料的机械性能降低,从而限制其工业化应用。  为提高Al2Ti5陶瓷的性能,利用溶胶凝胶法制得Al2TiO5.Al2O3.MgO梯度功能材料,烧结过程格畸变,降低Al2TiO5分解率。以微米级和纳米级Al2O3和TiO2为原料,用放电等离子烧结方法制备了Al2O3/Al2TiO5复合材料,纳米级原料比微米级原料更有助于复合材料的致密化,提高材料的弯曲强度、断裂韧性和硬度。用无压烧结方法以Al2O3和TiO2为原料,添加MgO、SiO2和Fe2O3制备出Al2TiO5复合材料,反应烧结过程中形成Mg2SiO4、MgAl2O4和Al6Si2O13强相,提高强度和热稳定性。  很多研究针对Al2TiO5材料的优异性能,将其做成多孔材料。以Al2O3、TiO2、MgO和SiO2为原料,添加CeO2和Er2O3,在1250C下烧结制备出促进Al2TiO5生成,降低其热膨胀系数。添加20wt.%Fe2O3、50wt.%Al6Si2Oi3和20wt.%有机物造孔剂,反应烧结时形成Al2-x)Fe2xTiO5固溶体和Fe2TiO5促进烧结,Al6Si2Oi3存在于Al2TiO5晶界处,抑制晶粒长大,降低热膨胀系数接近零,孔隙率51.5%时抗弯强度达67.7MPa.以质量比为87:13的纳米Al2O3和TiO2为原料,以SPS方法制备出Al2TiO5-Al2O3多孔材料,孔洞分布均匀,平均孔径15叫。  以上方法可以提高Al2TiO5陶瓷的性能,但获得既有高孔隙率又有较好机械性能的多孔材料还存在一定的局限性。碳化硅材料具有高硬度、高强度、耐高温等优良性能,有研究报道利用碳化硅颗粒(SiCp)、晶片(SiCpi)或晶须(SiCw)等与TiC、ZrB2组成复合材料,提高材料的强度和韧性。还有向Al2O3层中添加20wt.%SiCw,热压烧结方法制备出Al2O3/Ti3SiC2多层材料,SiCw存在于Al2O3层中发挥裂纹偏转、桥连和晶须拔出作用使材料弯曲强度提高到688MPa.化学气相渗透法制备出多孔Al2O3.SiCw复合材料,在Al2O3孔洞和颗粒表面生长出平均直径为100纳米的SiCw,使弯曲强度从21MPa提高到29.6MPa,比表面积加33.5%.热压烧结制备Al2O3.SiCw致密材料,其理论密度可以达到100%.本;TiO2(纯度98%,国药集团化学试剂有限公司)颗粒细小,呈1m左右的团簇状,见(b);SiCw(纯度299°%,徐州捷创新材料科技有限公司)直径0.52m,长度515,见。2多孔复合材料的制备入不同质量分数(0%、5%、10%、15%和20%)按摩尔比AlOOH:TiO2=2:1称量粉末,同时加的SiCw.将称量好的粉末在50C充分烘干,然后放入三维混料机中混料5h.加入适量酒精和粘结剂PVA(纯度5wt.%)后,进行压制成型,压力85MPa,保压5min后得到23mmx23mm的圆柱形坯体,每组坯体压制3个。在原始坯体中加入SiCw,干混后SiCw较好的分散在原料中,如(a)所示;加压制坯时没有因为受到压力而断裂,而是较好的穿插在其它物料颗粒之间,晶须直径与原料颗粒直径接近,见(b)。然后将压坯在50°C下烘干12h.试样的反应烧结是在电炉中进行,烧结过程无压力。反应烧结工艺如下:在室温600C升温速率3C/min,以防止试样开裂,600C时保温1h去除粘结剂,600C~1100C升温速率5C /min,1100C~1400C升温速率4°C/min,烧结温度1400C,保温2h,然后随炉冷却。  1.3分析测试利用阿基米德法测定反应烧结试样的孔隙率,用万能电子试验机(WDW3100型)测定烧结后试样的抗压强度,使用X射线衍射仪(XRD,D/Max2500PC型)对烧结后试样进行物相分析,使用扫描电子显微镜(SEM,KYKY-2800B型)对烧结后试样进行微观形貌观察和断口分析,使用电子探针(EPMA,XA-8230型)对烧结后试样进行微区成分测定。  原始坯体中SiCw中物料分布:(a)原料干混后粉末,(b)模压成型试样断口2;随着SiCw含量的加,单个晶粒依旧细小,部分形态变得规则,呈现短棒条状见(c)中黄色虚线圈所指,晶粒间出现粘结,见(c)中黄色箭头所指,孔洞直径大到24m.当SiCw加入量达到15wt.%时,出现一定量的玻璃相,晶粒之间因为粘连而聚团,同时晶粒形状变得比较规则,出现棱柱状或者短棒条状颗粒,见(d)中黑色箭头所指,聚团之间孔洞尺寸大,孔径14m.进一步放大观察可以看出,当SiCw含量为5wt.%时,大量灰色晶粒之间出现规则颗粒,晶粒SiCw含量达到15wt.%时,规则颗粒更加明显,尺之间结合更加紧密,灰色晶粒表面和孔洞壁面明寸1pm左右,见5(b)中红色箭头,同时出现细小显可见融化痕迹,见(a)中蓝色箭头所指。当的、圆整的颗粒,见5(b)中紫色箭头。  加入不同质量分数SiCw反应烧结产物的断口形貌:(a)0%,(b)5%,(c)10%,(d)15%加入不同质量分数SiCw反应烧结产物的高倍放大形貌:(a)5%,添加15wt.%SiCw反应烧结产物成分分析结果with15wt.%SiCw是SiCw含量15wt.%时反应烧结产物的电子探针成分图像和分析结果。可以看出聚团组成多孔材料的骨架,骨架之间有大量孔洞,孔径14m.孔洞骨架由灰色不规则晶粒A组成,主要成分是Al、Ti、O元素,结合XRD分析结果,可以推断其为Al2TiO5.另有部分灰色区域B,见黄色线包围区,周围粘附着大量白色规则颗粒C,此灰色晶粒成分主要是Al、Si、O,可以推断其为Al6Si2O13,而白色颗粒尺寸小于1m,形态为立方体、六棱柱体或者长条形,部分附着在Al6Si2O13表面,部分嵌入Al6Si2O13内部,主要成分是Ti、C,可以判断为TiC颗粒;通过对带有熔融痕迹的深灰色区域D进行成分分析,可以判断是SiO2相。  此外,在灰色的Al2TiO5基体上还分布着白色的圆整小颗粒E,主要成分是Ti、O,可以推断是TiO2.2.3反应烧结产物的孔隙率及抗压强度加入不同质量分数SiCw反应烧结产物的孔隙率及抗压强度是添加不同含量SiCw后反应烧结产物的孔隙率及抗压强度。可以看出未添加SiCw,试样孔隙率为19%,抗压强度是84.8MPa;添加5wt.% SiCw后,试样的孔隙率和抗压强度同时以较大幅度大,孔隙率为27%时抗压强度达到*大194.23MPa.与未加SiCw相比孔隙率提高8%,抗压强度提高2倍以上;随着SiCw含量的加,试样孔隙率以较小幅度加,而抗压强度则以较小幅度减小;添加20wt.%SiCw时,试样孔隙率*大33%,抗压强度*小158.55MPa. 3讨论中,主要反应如下:依据上述反应,烧结过程中会生成Al2TiO5、Al6Si2O13、TiC和SiO2.因为SiC晶须长径比大,比表面积大,分解速度快,添加的SiCw可全部与TiO2反应生成TiC和SiO2,SiCw含量越多,生成的TiC和SiO2越多。因为Al2O3与SiO2反应生成较多的Al6Si2O13而被消耗,故Al2TiO5相的量减少,同时剩余一定量的TiO2,这与XRD分析结果一致。  未添加SiCw(a,b,c)和加入SiCw(d,e,f)后原料反应过程及成孔示意图未添加SiCw时,AlOOH(蓝色颗粒)和Ti2(黄色颗粒)堆积方式如(a)所示,颗粒间孔洞大小由压坯压力决定。烧结过程中AlOOH转变成AI2O3,颗粒细化并且和周围的Ti2发生固相反应生成AUiOs(浅灰色颗粒),如(b)所示。烧结完成后生成如(c)所示的AUTiOs,颗粒间孔洞依然是原料堆积时形成的孔洞。加入SiCw后,改变了原料中颗粒之间的堆积方式,由于晶须之间的桥连和支撑作用而使颗粒间孔洞大小和数量加,如(d)所示。反应烧结过程中晶须状SiC?方面与TiO2反应形成的低熔点SiO“灰色玻璃相)围绕、覆盖在AI2O3颗粒上,SiO2与AI2O3反应生成的ASi2Oi3(深灰色颗粒),如(e)所示;另一方面反应放出的热量使得局部温度在烧结温度的基础上进一步升高。反应温度对于TiC(绿色颗粒)的形态起着决定性作用,当反应温度较高时有利于TiC以立方体、六棱柱体或者长条形颗粒形态析出,因为TiC熔点高,TiC晶粒将首先形核、长大,如(f)所示。  TiC生长具有导向作用,从而获得如中黄色线中的分布。TiC对Al6Si2O13的生长起到阻碍作用,并且因为Al6Si2O13存在于Al2TiO5晶界处,有利于抑制Al2TiO5晶粒长大,提高其强度。同时适量SiO2玻璃相填充在骨架颗粒之间加骨架密度也会提高强度,但当SiCw加入量超过5wt.°%时,部分玻璃相填充在骨架颗粒之间,使小孔洞迁移、合并成大孔洞,使材料强度降低,并且因为玻璃相的脆性也会使得多孔材料强度大幅降低。  4结论以Y-AlOOH、TiO2和SiCw为原料,通过反应烧结制备了Al2TiO5基多孔复合材料,反应产物中除了Al2TiO5相以外,还出现Al6Si2O13、TiC、SiO2,以及少量未反应的TiO2,未发现剩余的Al2O3和添加SiCw后,显著提高复合材料的孔隙率和抗压强度。当加入SiCw为5wt.°%时,与未加SiCw相比孔隙率提高8°%,抗压强度提高2倍以上。之后随着SiCw含量的加,孔隙率进一步提高。但当SiCw含量超过5wt.%时,抗压强度逐渐降低。  颗粒,抑制Al2TiO5晶粒长大,提高抗压强度;SiCw改变颗粒之间的堆积模式,使孔径大,孔隙率显著提高。并且因为生成的一定量的SiO2对晶粒产生粘结,使得孔洞骨架密实,提高强度,但当SiCw加入量多时,因为出现较多的玻璃相,会降低强度。
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