碳化硅陶瓷十篇

碳化硅陶瓷篇1

关键词：碳化硅；多孔陶瓷；制备工艺；

中图分类号： TM281+.1 文献标识码：A 文章编号：

一、传统工艺制备

（一）有机泡沫浸渍法应用

该项制备工艺以有机泡沫为骨架，完成浸浆、干燥工序后，经过高温烧制完成。有机物在陶瓷烧制的过程中挥发，留下网络结构的陶瓷体。这项工艺的特殊之处在于制备好的浆料能够均匀地覆盖在开孔三维网状骨架机构的有泡沫体上，经过干燥烧制后，有机泡沫层消失，留下网眼型的孔隙。设备少、工艺过程简单、成本低是该项制备工艺的优点。这种工艺烧制出来的陶瓷孔隙度高且气孔之间相互贯通，工业化生产应用广泛。水基浆料的应用既满足了现代环保制作要求，同时也降低了制作成本。

但这种制造工艺也存在一定缺陷，由于水基浆料和有机泡沫材料的兼容性不够，制品强度无法保证。要想改善碳化硅泡沫陶瓷的力学性能，减少挂浆陶瓷胚体在加工过程中出现涂盖不均和孔筋的现象发生，可以通过液相渗硅、增加挂浆量或改进烧成工艺实现。挂浆量的增加可以在陶瓷浆料中添加粘结剂、分散剂、流变剂、浆料表面活性剂等一系列添加剂来增加有机泡沫的粘附性能。

（二）造孔剂添加法应用

这种工艺在陶瓷配料中加入造孔剂，造孔剂占据胚体孔隙中占据一定空间，烧结工序完成后，造孔剂脱离胚体，原先占据的空间形成气孔，为碳化硅泡沫陶瓷的制备做好准备。这项工艺的优点在于，通过温度和时间的改变可控制调整产品的强度和空隙率。普通工艺烧制时，烧成温度过高时，形成液增多，闭口气孔增加，孔隙率过低，达不到要求；烧制温度过低时，液相量减小，产品强度无法满足要求。造孔剂添加法的应用则可以避免这些现象的发生，孔隙率也控制在50%以下。这种制造工艺的缺点有：1、对造孔剂分散性要求较高；2、产品的气孔率不高；3、孔径大小、分布控制效果较差。

造孔剂主要有无机和有机两种，无机造孔剂主要是各种铵盐，或是可以在高温下分解的盐类。有机造孔剂则主要是天然纤维、高分子聚合物以及有机酸等，像尿素、聚苯乙烯和聚丙烯醇等。其中，淀粉是常用的有机造孔剂。通过烧制实验结果可知，淀粉量越大，碳化硅多孔陶瓷的强度和密度越小，气孔直径越大，气孔率增大。造孔添加剂分量的多少对产品物组组成基本不造成影响。

二、先进工艺制备

（一）流延成型工艺应用

陶瓷泥浆在刮刀的作用下，可在平面延展呈片状，再对其陶瓷坯体塑性的方法称之为流延成型工艺。通过粘结剂、增塑剂、悬浮剂以及溶剂添加混合构成水溶液或污水溶液，原先细分散的陶瓷粉料悬浮状变为可流动且可塑性强的料浆。流经经过刮刀，料浆在流延机运输带上直接形成薄层坯带。坯带流动的过程中，溶剂逐渐挥发，固定微粒聚集，形成质地密致且柔软的坯带，经过冲压处理后，形成固定形状的坯体。流延成型工艺与传统制备工艺相比较而言，具有投入费用小、设备简单、生产效率高等优点。

（二）化学气相渗透工艺应用

化学气相沉积是该项工艺的技术原理，基底物质（碳基底居多）与沉积物发生化学反应，经过烧制后制备成多孔陶瓷材料。以化学气相沉积工艺为基础，在经过一系列的实验、改进，再研究出化学气相渗透制备工艺。通过近几十年的发展，化学气相淀积已广泛应用于新晶体研制、物质提纯、多种玻璃态或单、多晶体无机薄膜材料淀积等行业。该项工艺有产品孔隙度、密度可调控；低密度、高强度且形状复杂多孔碳化硅陶瓷制备的优点。产品密度可控制在1.3g/cm?，孔隙度则可达到65%到80%，这类低密度高孔隙率的产品是传统工艺制备很难生产出来的。

（三）冷冻干燥工艺应用

定向冷冻干燥工艺可以制备微观形貌精细、外形复杂的多孔陶瓷材料，属于湿法成型工艺的一种。通过控制有机溶剂或水在一定方向上冻结形成排列整齐的溶液晶体，再在低压状态下干燥升华为游模板或冰，最后通过高温烧结，得到多孔陶瓷成品。成本费用少、孔道结构精确可调、适用范围广泛、力学性能较佳是该制备工艺的优点。但我国的机械设备和制备技术相对于发达国家而言还是处于之后状态，因此该项技术应用的发展或多或少受到了限制。

三、未来展望及总结

多孔碳化硅陶瓷由于具备优越的耐磨性、高温强度、抗热震性以及耐腐蚀性而受到了各大制造行业的广泛关注，已有多种领域离不开这一新型材料的应用。而传统碳化硅泡沫陶瓷制备技术用时长、工艺复杂、产品杂质占比大、烧结温度高、成品性能不稳定等因素制约了该项材料的应用发展。相比之下，新型碳化硅泡沫陶瓷的制备有着产品性能稳定、工艺要求简单等优点，烧结过程中仍需要较高温度。工艺发展的过程中，还存在像孔径大小、形状及分布控制困难、制备纳米级微孔碳化硅陶瓷标准无法达到、生产成本费用较高等亟待解决的问题。就当前形势来看，我们应该将重点放在孔径大小控制、孔径分布控制、低温烧制三个方面作出研究，从而实现生产成本降低、生产工艺简化、生产质量提高的生产目标，树立规模化、产业化的发展目标，进而全面推动陶瓷行业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]徐照芸，罗民，王怀昌，梁斌，宋伟明. 水基冷冻干燥工艺制备层状结构多孔SiC陶瓷[J]. 硅酸盐通报. 2011（03）

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碳化硅陶瓷篇2

本发明公开了一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料。以骨料、粉料和外加剂、结合剂为原料制成,以骨料和粉料质量之和为总质量100%计,骨料含量为65%～75%,粉料含量为 25%～35%;骨料为碳化硅骨料;粉料包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉、二氧化硅微粉;外加剂为五氧化二钒;结合剂包括浓度为50%的木质磺酸钠溶液、浓度为6%的聚乙烯醇溶液、糊精。该材料通过对各组分及其用量的优化,使其制备工艺更合理、更经济。烧结时不需电加热,不需N2气保护和作反应物质,只需在燃气炉氧化气氛下加热即可获得具有良好性能的高温陶瓷材料。本发明还公开了一种上述材料的制备方法,采用捣打成形工艺,具有设备投资小、生产流程短、能耗低、适应范围广等特点。

专利号:CN101654362

利用建筑废弃石粉作原料的陶瓷仿古砖及其制备方法

本发明公开了一种利用建筑废弃石粉作原料的陶瓷仿古砖及其制备方法,其特征在于,它是利用建筑废弃石粉代替陶瓷行业原用的天然开采的优质石粉,其矿物原料配方按重量百分比计包括:废弃石料18%～22%、石粉8%～13%、砂25%～30%、高铝泥30%～42%、滑石粉2%～3%、废料2%～5%。本发明用于建筑物室内、外装饰用,具有防滑、耐磨、防污自洁、抗菌、抗静电、光变幻等功能,而且生产过程中不对环境产生二次污染,制造成本低、产品便于运输、易于施工,是一种优质环保节能的新型建筑材料。

专利号: CN101654948

一种隔音建筑板材

本发明涉及一种建筑用材料的技术领域,尤其涉及一种隔音建筑板材,它可以代替现有的建筑用木板材。本发明是由以下各组份按重量份数比组成:玻璃纤维:5%～10%;滑石粉:5%～10%;陶瓷棉:5%～15%;膨胀珍珠岩:10%～30%;菱镁矿:30%～60%;硫酸铝:1%～2%。本发明具有防火、防水、防潮、防腐防锈、不易老化变形、隔音性能好、容重轻、成本低、材料来源广泛等优点。由于本发明产品还可以防虫蛀,因此是天然木材资源的良好替代品。本发明适用范围广、价格低、施工方便、原料充足,既可以更好地保护我国的森林资源,又能满足建筑业的需要。适于各种建筑行业使用,且具有非常好的环保性能,取材也方便,适合推广应用,市场前景好。

专利号:CN101654933

具有陶瓷涂层的切削刀片

具有多层陶瓷涂层的切削工具刀片。所述多层陶瓷涂层为交替子层的分层结构,所述交替子层是氧化物材料与和该氧化物材料具有良好粘附力的第二材料的界面层的交替层。所述陶瓷涂层通过化学气相沉积而沉积;每一随后沉积的界面层用于中断前一沉积的氧化物材料子层,并用作随后氧化物材料子层的沉积用表面。所述第二材料是所述氧化物材料中的至少一种元素在硬质材料中的固溶体。

专利号:CN101652502

防静电耐磨陶瓷托辊及其制备方法

本发明的目的是提供一种防静电耐磨陶瓷托辊及其制备方法,采用5%～60%陶瓷骨料、5%羟甲基纤维素、3%～5%Sb2O5、15%～75%Fe2O3、3%～5%SnO2、2%～3%氧化钛、3%～7%氧化锌的配方,经配料、球磨、榨泥、练泥、挤出成形、干燥、烧结和装配等工序或者经配料、球磨、喷雾造粒、等静压成形、烧结和装配等工序制备或者经配料、球磨、注浆、干燥、烧结和装配等工序制备。该防静电耐磨陶瓷托辊使用寿命为15～48个月,壁厚在6～20mm,耐磨性是钢管托辊的3～5倍、重量是钢管托辊的2/3、耐酸98.6%、耐碱84.7%、磨耗

专利号:CN101654358

陶瓷小电窑

碳化硅陶瓷篇3

关键词：激光剥蚀； 电感耦合等离子体质谱； 碳化硅

1引言

碳化硅（SiC）陶瓷具有高温强度大、硬度高、耐腐蚀性强、热稳定性佳、耐磨性好等优良特性，在许多领域得到广泛应用。痕量元素的含量及分布对碳化硅材料的性能有很大影响[1]，因此测定碳化硅中微量元素对控制其质量具有重要意义。添加氧化铝和氧化钇的碳化硅经 2000 ℃烧结后器件，具有尺寸大、密度和强度高、致密性好等特点。此类碳化硅器件难于制备成粉末，对酸和碱有强的抵抗力，难以消解成溶液，常规的分析手段无能为力。因此，亟需发展新的分析技术或方法。

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LAICPMS）作为一种固体直接进样和微区分析技术，广泛应用于地质[2，3]、金属[4，5]、生物[6，7]、司法[8]和晶体[9]中元素含量和分布分析。然而校准方法一直是LAICPMS面临的最大挑战之一，另外基体效应和元素的分馏效应是影响分析结果准确性和精确性的重要因素[10]。LAICPMS应用于陶瓷样品分析的文献较少，仅有几篇工作报道应用于氮化硅[11]和碳化硅[12， 13]分析。如Baker等[11]采用溶液校准，测定氮化硅中痕量元素，由于溶液标样与固体样品的基体差异，影响分析结果的准确性。Klemm等[12]利用LAICPMS监测碳化硅晶体在生长过程中元素Al， V， W和Ta的含量变化。Hoffmann等[13]向碳化硅粉末中加标准溶液，以碳为粘合剂，制备成标准样品作为校准曲线，测定了碳化硅单晶中Al， Ti， V， Mn， Fe和Cu含量，不同剥蚀坑各元素浓度相差17%～30%。

本实验对激光剥蚀和电感耦合等离子体质谱的条件进行了优化，采用玻璃标样为外标，29Si为内标，使用相对灵敏度因子校正基体效应，对碳化硅陶瓷器件进行了测定，获得较为满意结果。

2实验部分

2.1仪器与试剂

标准参考物质为玻璃标样NIST 610，NIST 612， NIST 614，NIST 616（美国国家标准局（NIST）），分析材料为中国科学院上海硅酸盐研究所研制的掺杂氧化铝和氧化钇的碳化硅圆形器件（ 7.5 cm）。碳化硅标样BAMS003（德国联邦材料研究与测试研究所）验证方法的准确性和可靠性。

2.2辉光放电质谱的实验过程

将碳化硅块体切割成方片（2 cm×2 cm），采用HF（1∶1，V/V）对样品的表面进行超声清洗2次后，使用二次蒸馏水清洗3次，再用无水乙醇清洗，烘干待用。优化仪器参数，电压1.5 kV，电流0.6 mA，圆形扁平池（ 1.5 cm）。预溅射30 min，除去样品表面的污染，在优化的条件下进行测量。以基体中Si和C为内标元素，测量碳化硅陶瓷中的元素。

3结果与讨论

碳化硅陶瓷篇4

关键词：陶瓷材料；组成；性能特点；应用

1 概 述

利用天然硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也叫传统陶瓷。传统陶瓷是指以粘土等天然矿物粉末为原料，经混合、塑化、成形、烧结而成的固体材料。广义的陶瓷则包含一切天然及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石、现代工程陶瓷及功能陶瓷等。由于陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、硬度高，甚至还具有特殊的电、磁、热、光等功能效应，在现代生活及工业中已得到了广泛的应用，是很多高科技产品制作的必需材料。

普通陶瓷原料来源广、成本低、用量大。天然原料中的杂质对陶瓷的性能不利，因此，可以采用人工合成纯度高的原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)。用传统陶瓷工艺方法制造的新型陶瓷，也叫现代陶瓷或特种陶瓷。陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。汽车工业应用多属精细陶瓷，在汽车上很早以前就在火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封上使用了陶瓷。而且作为排放对策，触媒载体、氧传感器、爆震传感器等功能陶瓷相继出现。目前，已有许多发动机零件采用结构陶瓷制造，不久将来，陶瓷发动机将会出现。

2 陶瓷的组成

传统上的陶器、瓷器、玻璃、水泥和耐火材料，其主要成分为硅酸盐类物质，所以也称为硅酸盐陶瓷或硅酸盐材料。随着材料科学与工程的发展，陶瓷材料的范畴也不断扩展，涌现了一系列应用于高技术场合的新型陶瓷，或称特种陶瓷、先进陶瓷，如功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料及人工晶体等。新型陶瓷的组成已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫系化合物、硅、锗等。其形态也趋多样化，还有超微粉体(即纳米材料)，单晶和非晶材料，以及纤维、晶须、薄膜、复合材料等，各有独特的性能及用途。

一般陶瓷由多种原料经塑化、成形、烧成后而制成，所以大多数陶瓷材料均含有一种或一种以上的晶体、一定数量的玻璃相及少量的气相，为一种多相固体材料。

陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物及非氧化物三种。晶相是陶瓷中量大而主要的部分，其种类、大小、分布、数量对陶瓷的性能起决定作用。普通陶瓷中的玻璃相是以长石熔融的液相为主体构成的低熔点非晶态物质，常富含氧化硅、碱金属氧化物及杂质，可充填晶粒间隙而提高致密性，降低烧结温度和抑止晶粒长大，黏结分散的晶粒形成一定强度。但玻璃相的强度及耐热性低，过多则会降低陶瓷的性能。一般陶瓷中玻璃相占20%～40%。气孔来自于烧结过程中各组分发生物理、化学作用而生成的空隙及压制不致密而残存的空隙。气孔使应力集中增加，有效断面下降，导致强度下降。同时，还使电绝缘性及透明性下降。一般陶瓷的气孔体积百分比达5%～10%左右，甚至更高。

3 陶瓷材料的性能特点

一般而言，陶器杂质多，烧结温度低(即烧结不充分)，坯体断面粗糙无光，有较大的气孔率和吸水率，如烧结砖、瓦、罐等。瓷器成分较纯，烧结温度高(即烧结充分)，坯体致密细腻，具有一定光泽，基本不吸水，如日用细瓷等。而炻器则介于陶器和瓷器之间，如普通的墙地砖、卫生陶瓷、化工陶瓷等。

与传统陶瓷相比，新型陶瓷具有：第一，其组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了传统陶瓷的成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼化物及其他盐类或单质；第二，应用领域已从结构材料扩展到电、光、声、热、磁等功能材料方面；第三，成形工艺方面应用了等静压成形、热压铸成形等；第四，制品的形态有单晶、薄膜、纤维及复合形式等。显然，陶瓷材料的涵义已大大得到扩展。陶瓷材料的性能特点主要有以下几个方面。

（1） 弹性模量大，即刚性好，是各种材料中最高的。陶瓷材料在断裂前无塑性变形，是脆性材料，冲击韧性很低。如果设法减少材料内部的缺陷(气孔和裂纹)，陶瓷材料的强度和韧性会大大改善。

（2） 抗压强度比抗拉强度高得多。陶瓷的抗拉强度与抗压强度之比为1:10(铸铁为1:3)。此外，陶瓷硬度高，一般为1000～5000HV；金刚石属于最硬的物质，为6000～10000HV(而淬火钢仅为500～800HV，塑料小于20HV)。

（3） 熔点高，高温强度高，线膨胀系数很小，是一种较好的高温材料。用陶瓷材料制造的发动机体积小，热效率大大提高。陶瓷材料在高温下不氧化，抗熔融金属的侵蚀性高，可用来制作坩埚，对酸、碱、盐大都具有良好耐蚀性。但和金属相比，陶瓷抗热冲击性差，不耐温度的急剧变化。

（4） 导电能力在很大范围内变化。大部分陶瓷可作为绝缘材料，有的可作为半导体材料，还可以作为压电材料、热电材料和磁性材料等。某些陶瓷具有光学特性，可作为激光材料、光色材料、光学纤维等。有的陶瓷在人体内无特殊反应，可制作人造器官(称为生物陶瓷)。陶瓷材料作为功能材料具有广泛的应用前景。

4 陶瓷材料的分类

陶瓷产品的种类繁多，性能各异，其分类方法也各不相同。总体上可分为普通陶瓷和特种陶瓷。从组成上可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。现代陶瓷又称精细陶瓷，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。

汽车用陶瓷大致可分为功能材料和结构材料。功能材料是利用其绝缘性、介电性、压电性、半导体、磁性等特异功能，主要用于陶瓷传感器，以不断满足汽车电子化的急剧发展。

5 陶瓷材料的用途

结构陶瓷因具有良好的性能，如高强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低密度等，用它来替代耐热合金能大幅度地提高热机效率、降低能耗、节约贵重金属、达到轻量化效果。目前，已广泛用于制造发动机和热交换器零件。此外，结构陶瓷还被用来制造切削工具、轴承、泵的机械密封环等，实用效果较好。结构陶瓷的优良机械性能要得以充分发挥，并用于大量生产的汽车零件，就需要解决性能的稳定性和再现性及不断完善加工技术、评价技术、接合技术等方面的问题。功能陶瓷主要用于传感器，此外，还可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温度传感器、位置传感器、速度传感器、气体传感器、湿度传感器、离子传感器、仓储等得到非常广泛的应用。用于汽车的传感器应具有的特性:要能长久适用汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)，要小型轻量，重复使用性要好(精度达±0.5%～1%)、输出范围要广。

汽车用温度传感器以热敏系为主，发动机冷却水温度调节也有采用感温铁氧体的。

（1） 热敏电阻

过渡族金属氧化物系陶瓷半导体随温度升高其电阻下降，把具有这种特性的半导体称为热敏电阻。热敏电阻的使用温度可达1000℃，被广泛用于防止排气净化触媒的过热。上述这种随温度升高电阻下降的热敏电阻称为NTC(负电阻温度系数)热敏电阻。BaTiO3系半导体，在居里点以上电阻急剧增加，把这种具有正电阻温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。通过改变化学成分(更换Sr或Pb)来控制电阻急剧增加而产生的温度变化；可作为自行控制温度加热器或温度补偿用热敏电阻。这种PTC加热器被用于自动阻风门、各种传感器内加热体、进气加热器等。

（2） 感温铁氧体

由于它利用了在居里点导磁率急剧变化的特性，被利用于温度转换。当温度上升时，热运动剧烈， 其感温铁氧体的固有特性即自发极化消除。为使三元触媒工作， 必须使排气空燃比保持在理论空燃比，即氧为零的状态， 为此采用氧化锆氧传感器，氧化锆管的内侧通入大气，外侧引入排气。温度升高，氧就离子化，由于离子浓度差在固体电解质中将产生自大气侧向排气侧的扩散，构成一种浓淡电池，从而产生电势。排气侧，白金触媒的作用，使氧与一氧化碳、碳化氢、氢分子等发生反应，达到平衡浓度。氧浓度以理论空燃比为界产生急剧变化。其结果，氧传感器在理论空燃比上下会发生阶跃性变化的信号。利用该信号，可反馈控制空燃比。

在氧分压低的保护气中，TiO2晶体中形成晶格缺陷，使电阻下降，利用这一现象制成氧传感器。已实用化的稀薄燃烧空燃比传感器，是利用氧化锆固体电解质的电化学泵作用的氧化锆传感器。将氧化锆固体电解质通以电流，从而产生阴极吸氧，阳极放氧现象。当外加电压保持一定时，输出电流与空燃比呈正比，据此测定该电流即可求出空燃比。此外还有其它的气体传感器，如金属氧化物半导体传感器，是利用表面吸附气体成分变化电阻也随之变化这一性质制成。利用溅射法形成ZnO及SnO2薄膜，由于NO2在膜表面上吸附负电荷，在NO2浓度增加的同时，元件电阻增大。另外薄膜元件的灵敏度较好。这些传感器不受H2、CO或O2的影响，在数秒钟内即可检测出数ppm的NOx,这是用于柴油机检测NOx的理想传感器。温度传感器在汽车行业不仅用于空调，还具有防止玻璃结露的作用。

陶瓷湿度传感器的类型: 一是半导体型。它是利用水的电子给予性化学吸附所产生的半导体电阻变化的原理；二是容量型。利用水的吸附产生容量变化的原理。采用的氧化物有Al2O3、Ta2O3等；三是质子传导型。它是利用多孔质陶瓷表面上水的物理吸附及毛细管凝结而引起电阻变化的原理。目前主要采用在室温附近的质子传导型。

爆震传感器可预知高负荷下易产生的爆震，以防止点火延迟，特别适用于装有涡轮充电机的发动机。检测爆震主要根据汽缸部件的振动 (一旦产生爆震，机械振动就加剧)，间接地察觉爆震。

压电性是指一旦加力，就产生电压。具有压电体的陶瓷已在许多领城广泛应用。这种被称作PZT的材料除在传感器上得到利用外，还被用在倒车报警器上，作为超声波的接收器和发射器而被利用。

陶瓷促动器:陶瓷压电体一旦沿电极化方向施加电压，就会因压电效应沿极化方伸张。利用这一性质，开发了陶瓷促动器。发动机控制用的陶瓷促动器，把多个薄板状压电陶瓷叠层，通过对其施加电压得到位移。利用外加电压得到的位移量，是很微小的，但发生力大，动作也迅速。

6 车用新型陶瓷材料

汽车的陶瓷材料是采用高纯超细的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等原料，经过预处理、破碎、磨粉、混合、成形、干燥、烧结等特殊工艺而得到的结构精细的无机非金属材料。它具有高强度、高耐热性、抗蚀性、高硬度、高耐磨性、密度小、变形小、抗热冲击等一系列优点，特别是抗拉强度和弯曲强度可与金属相比。陶瓷大体上可以分为结构陶瓷和功能陶瓷，用结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮增压发动机、燃气轮机、绝热发动机，可以将现在发动机的燃烧温度从700～800℃提高到1000℃以上，热效率提高1倍以上。结构陶瓷的质量为铁的一半，节能效果非常显著，同时还能减少环境污染，节约钢材等金属材料。但由于陶瓷材料性能的再现性和可靠性差，不能确保大量生产的稳定性，同时陶瓷具有加工困难、质脆、稍有缺陷就容易破裂，以及成本高等缺点，所以目前还没广泛使用。

新型陶瓷多由碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐l000℃以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。例如:要将柴油机的燃耗费降低30%以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现有汽油机中，燃烧能量中的78%左右会在热能和热传递中损失掉。柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮，来回收排气能量。试验证实，可把热效率提高到48%。新型陶瓷具有良好耐热性能和耐腐蚀性，如日本五十铃汽车公司最早将它用于小型柴油机火花塞。

7 陶瓷材料在车辆上的应用

陶瓷的性能由两种因素决定。首先，物质结构主要是指化学键的性质和晶体结构。它们决定陶瓷材料的性能，如耐高温性、半导体性及绝缘性等。其次，显微组织，包括相分布、晶粒大小和形状、气孔大小和分布、杂质、缺陷等。这对材料的力学性能影响极大，而显微组织又受制备过程中各种因素的影响，在使用时必须严加注意。陶瓷的性能及应用如下。

（1） 普通陶瓷

普通陶瓷是以粘土、长石、石英为原料，经配制、烧结制成。这类陶瓷具有质地坚硬、不生锈、耐腐蚀、不导电、加工成形性好、成本低等优点。其缺点是强度较低，一般最高使用温度不超过1200℃。这类陶瓷产量大种类多，广泛用于电气、化工等行业。

（2） 氧化铝陶瓷

氧化铝瓷的原料是工业氧化铝，性能好，但工艺复杂、成本高。氧化铝瓷强度大、硬度高，耐热温度可达1600℃，耐腐蚀、绝缘性好。但脆性大，抗震性差。主要用在喷砂用的喷嘴、火箭用导流罩。还可作化工泵用密封滑环、轴承及切削刀具等。

（3） 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷是用碳化硅粉，用粉末冶金法经反应烧结或热压烧结工艺制成。碳化硅瓷最大特点是高温强度高，传热能力强，热稳定性好，并耐磨、抗蠕变性好。用作火箭尾部喷管喷嘴、轴承、高温热交换器材料以及各种泵的密封圈。

（4） 氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是新型工程陶瓷，它原料丰富、加工性能好、用途广泛。制备方法有反应烧结法和热压烧结法。前者是用硅粉加入少量Si3N4粉，成形后在氮气下经1210℃氮化1.5h，然后再进行机械加工，最后在1450℃氮化直至硅都变成氮化硅，所得制品致密。

氮化硅耐高温、抗热震性好，可制作高温轴承、输送铝液的电磁泵管道、炼钢用铁水流量计。制成燃气轮机零件，提高效率30%，并可减轻自重，制成切削刀具可加工淬火钢、冷硬铸铁等。从材料来看，最好的发动机材料应是在1400℃情况下，每分钟旋转数千至数万次而不损坏。目前，高应力的镍基或钼基合金也只能在1100℃下，可耐60000转/min。为把发动机热效率提高，则发动机的工作温度必提高到1100～1500℃，此时金属材料就不适用，而Si3N4陶瓷材料，可以满足要求。用Si3N4陶瓷材料制造发动机，由于工作温度提高到1370℃，发动机效率可提高30%。同时由于温度提高，可使燃料充分燃烧，排出的废气中污染成分大幅度下降，不仅降低能耗，并且减少了环境污染。

（5） 其它陶瓷材料

陶瓷材料种类繁多，各有特色，可制成各种功能元件。氧化锂瓷为高温材料。滑石瓷为高频绝缘材料。氧化钍瓷为介电材料。钛酸钡瓷为光电材料。硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷为超高温材料。铁氧体瓷为永久磁铁、记忆磁铁、磁头等材料。稀土钴瓷为存贮器材料。半导体瓷为亚敏元件、太阳电池等材料。

由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间起动将变成可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其他正在进行研究的有:采用新型陶瓷活塞销和活塞环、挺柱等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。目前，陶瓷基复合材料零件的价格远比金属零件价格高。制造时可能产生内部裂纹且陶瓷零件的强度波动较大，高温时有所下降。但由于陶瓷材料具有优良的机械性能和低密度特点，世界各国都在大力发展，努力改善其基本性能和工艺技术，以求降低成本，提高可靠性。

碳化硅陶瓷篇5

关键词： 多孔陶瓷；孔隙率；造孔剂；性能；影响

1 引言

多孔陶瓷是一种具有较多气孔的新型陶瓷[1]，其内部连续贯通的多孔结构使其具有超高比表面积，并表现出优良的力学、热学、光学、电磁学等物理化学性能[2， 3]，在过滤、分离、载体、吸音、保温隔热、生物工程、航空航天等领域[4-7]应用广泛。

孔隙率是多孔陶瓷的一个重要技术指标，它对材料性能有较大影响[8]，通常高孔隙率的多孔陶瓷有更好的过滤和隔热性能。李悦等[9]以粉煤灰和石英砂为主要原料制备过滤用多孔陶瓷，研究表明：随着气孔率的升高，多孔陶瓷渗透率从0.284 cm3・cm・P/cm2・h增大到1.059 cm3・cm・P/cm2・h。徐鲲濠等[5]采用凝胶注模工艺和发泡凝胶工艺制备氧化铝多孔陶瓷，对二者的热学性能检测发现，凝胶注模法制备的氧化铝多孔陶瓷，当气孔率从61.2%升高到72.2%时，则其热导率从1.83 W/（m・K） 降低到1.03 W/（m・K）。而发泡凝胶工艺制备的氧化铝多孔陶瓷，当气孔率从50.8%升高到71.4%时，则其热导率从10.22 W/（m・K） 降低到3.06 W/（m・K）。这表明随着气孔率提高，多孔陶瓷的隔热性能显著增强。所以，制备高孔隙率多孔陶瓷有较大的应用价值。但是，在高孔隙率条件下，很难制备出高强度的多孔陶瓷。夏光华等[6]以漂珠为骨料，以小米或聚苯乙烯颗粒、碳粉等为造孔剂，可制得高孔隙率多孔陶瓷滤料。当造孔剂为20%时，显气孔率达到66.43%，但抗压强度仅有3.1 MPa。Qi Wang[10]等采用添加造孔剂法，将草酸铵（AOM） 和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 作为造孔剂，制备了不同孔形状和孔隙率的多孔陶瓷，所得多孔陶瓷的孔径在150～250 μm之间，但当孔隙率大于50%时，多孔陶瓷出现破碎现象。因此，如何制备高孔隙率，且有一定强度的多孔陶瓷仍然是目前研究的热点。

本文在优选高孔隙率多孔陶瓷滤料配方的基础上，分别添加碳粉和淀粉两种造孔剂，目的在于制备出具有较高强度的高孔隙率多孔陶瓷。同时，研究了造孔剂的种类和含量对多孔陶瓷气孔率、体积密度和力学性能的影响。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验的原料有：骨料，其主要成份为石英（含硅量99%）、粘土（苏州土）、钾长石（JC/T859-2000），粒度均为320目；造孔剂，其主要成份为碳粉、淀粉，粒度均为300目，造孔剂的种类和含量如表1所示；粘结剂，其主要成份为聚乙烯醇（PVA），8%～10%。

2.2 实验配方及工艺流程

（1） 实验配方

在大量实验的基础上，优选出高孔隙率多孔陶瓷滤料的配方[11]，其成份及含量为：石英15%、粘土40%、钾长石45%。烧成温度为1275 ℃。

（2） 实验工艺流程

高孔隙率多孔陶瓷的工艺流程如图1所示。

1）配料

用型号YP电子天平按照既定比例称取粘土、钾长石、石英制备出多孔陶瓷基体配料。

2）添加造孔剂

按照表1中的造孔剂的种类和比例称取造孔剂。

3）研磨

分别将不同含量造孔剂添加入基体配料，使用研钵研磨60 min，再加入粘结剂。在1～8组中使用注射器外加8%PVA（聚乙烯醇）；在9～16组中加入10%PVA；然后继续研磨30 min使粘结剂混匀。

4）陈腐

将试样装袋陈腐，陈腐时间为24 h。

5）成型

按既定压制密度装模，在Y41-25B液压机上压制成型，成型压力为5 MPa。

6）干燥

将成型后的试样条放入70 ℃恒温干燥箱中干燥24 h。

7）烧结

碳粉造孔剂在600～800℃燃尽，淀粉造孔剂在250～400℃燃尽。由此确定两种试样的烧成曲线分别如图1、图2。

3 实验结果分析与讨论

3.1 外观分析

添加不同含量碳粉造孔剂的试样条外观效果如图3所示。添加不同含量淀粉造孔剂的试样条外观效果如图4所示。

由图3可知，以碳粉为造孔剂制备的多孔陶瓷结构致密，成型性能较好，随着碳粉含量增加，试样开始出现弯曲变形。当碳粉含量增加到35%后，碳粉燃烧产生大量的二氧化碳，聚集在试样周围，形成惰性气氛，阻碍碳粉的进一步燃烧，出现试样条“黑心”情况；当碳粉含量增加到50%以上，陶瓷基体无法完全包裹碳粉，高温下碳粉燃尽，留下大量空洞，产品酥碎，没有强度。

由图4可知，以淀粉为造孔剂制备的多孔陶瓷，淀粉含量小于25%时，表观结构完整。随着淀粉含量增加，试样出现裂纹、开裂等问题。通过分析，开裂原因主要有两个方面：

（1） 淀粉粘性较差，与陶瓷基料混合压制成型后，产生肉眼看不见的微裂纹，在多孔陶瓷烧成时扩展成裂纹；

（2） 淀粉在高温下发生复杂的物理化学变化，如：糊化吸水膨胀，颗粒解体等，导致淀粉造孔剂的体积变化，从而增加多孔陶瓷内部缺陷，产生裂纹。

3.2 气孔率和体积密度

用煮沸法测量气孔率和体积密度。

需要注意的是：第15组、16组烧成后，样条酥碎，变形严重，轻轻触碰即碎裂，强度极低，无法对其孔隙率、体积密度和抗弯强度进行测试。因此，不予表征。

不同造孔剂含量和气孔率关系如图5所示。不同造孔剂含量和体积密度关系如图6所示。

由图5、图6可见，随着造孔剂含量增加，多孔陶瓷气孔率均呈增长趋势，体积密度相应降低。当造孔剂含量相同时，以淀粉为造孔剂制备的多孔陶瓷孔隙率大于以碳粉为造孔剂的多孔陶瓷气孔率。碳粉由于烧结过程中不能充分燃尽，且燃烧后有部分封闭气孔，故使用煮沸法测量的气孔率比理论气孔率偏低。结果显示：当碳粉含量为35%时，气孔率达26%、体积密度为1.77 g・cm-3。而淀粉造孔剂多孔陶瓷燃烧过程中会有部分体积收缩，且淀粉易吸水膨胀，燃烧后淀粉颗粒分解产生大量孔洞，故实际气孔率高于理论气孔率。当淀粉含量为25%时，气孔率可达33%、体积密度为1.7 g・cm-3。

3.3 抗弯强度

使用多功能试验机测试试样的抗弯强度，不同含量碳粉和淀粉的抗弯强度如图7所示。

由图7可知，当造孔剂含量相同时，碳粉造孔剂多孔陶瓷的强度均高于淀粉造孔剂多孔陶瓷。这主要是因为淀粉造孔剂粘性差，与陶瓷基体结合性也差，烧成后产生气孔率高，所以其致密性低于碳粉造孔剂多孔陶瓷。该体系中淀粉造孔剂的添加范围明显窄于碳粉造孔剂，当淀粉造孔剂的加入量到达40%时，强度仅为1.18 MPa。因此，在实际使用时，要严格控制淀粉造孔剂的加入量。

4 结论

（1） 当碳粉和淀粉造孔剂含量分别小于35%和25%时，多孔陶瓷试样能保持完整形态。随着造孔剂含量增加，碳粉试样出现“黑心”，无法成型，淀粉试样出现开裂、裂纹等缺陷。

（2） 随着两种造孔剂含量的增加，多孔陶瓷气孔率均呈增长趋势，体积密度和抗弯强度下降，该体系中淀粉的造孔效果较好。当淀粉造孔剂的加入量到达25%时，孔隙率最高可达33%、体积密度为1.7g/cm3。

（3） 当造孔剂含量相同时，碳粉多孔陶瓷的强度均高于淀粉多孔陶瓷。另外，淀粉造孔剂的添加范围窄于碳粉造孔剂，在实际应用中应严格控制用量。

参考文献

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[3] 王峰， 谢志鹏， 千粉玲， 等. 多孔陶瓷膜支撑体的制备研究进展

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[4] 张志金， 于晓东， 王扬卫， 等. 三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

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[5] 徐鲲濠， 孙阳， 黄勇， 等. 凝胶注模工艺与发泡凝胶工艺制备隔

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碳化硅陶瓷篇6

关键词：陶瓷结合剂；组分优化；纳米材料；硬度

1 引言

陶瓷磨具高强、高速和高效等特点是其在应用中具有独特优势[1]。考虑到陶瓷磨具的使用寿命，其还必须具有一定的硬度；结合剂作为磨具的重要组成部分，它的硬度在很大程度上代表了磨具的硬度。目前，国内外学者主要研究了纳米添加对陶瓷结合剂硬度的影响。侯永改等[2]研究了纳米氧化锆添加对结合剂硬度的影响，当添加纳米氧化锆为8%时，其硬度最大为129.8HRc。但是，目前对陶瓷结合剂自身组分优化对其硬度的研究还很少。

本研究以硼铝硅酸盐为基础体系，通过原始配方的组分优化，运用正交实验设计方法，研究了替代部分纳米氧化铝、纳米氧化硅和纳米氧化钙的含量对陶瓷结合剂硬度的影响，以期得到优化的陶瓷结合剂配方。

2试验

2.1试验原料及玻璃料的制备

把一定量的分析纯原料氧化硅、氧化铝、氧化钙、碳酸钾和碳酸钠按比例混合均匀，松压成八字块，经1450℃高温熔炼，水淬，干燥，球磨至200目以细，得到陶瓷结合剂粉。

2.2 正交实验设计

本试验选取三个因素，即三种纳米材料的添加：（A）纳米氧化铝；（B）纳米二氧化硅；（C）纳米氧化钙。每个因素选取三个水平，均为质量百分比；A因素三个水平：0.5、1和2；B因素三个水平：0.5、2和4；C因素三个水平：0.5、1和2。以洛氏硬度为考察指标。

因为本试验为3水平试验，选用Ln（3m）型正交表，并且不考虑各因素之间的交互作用，所以选用L9（34）型正交表来安排试验。根据前期研究经验，正交表中A因素第一列，B因素第二列，C因素第四列，第三列为空列。根据正交表确定试验方案，一共分九组进行试验分别标记为1～9#。其中为了对照，基础陶瓷结合剂的试验为0#。

2.3试样制备

把预熔好的陶瓷结合剂粉按配方称量，再和纳米氧化硅、纳米氧化铝和纳米氧化钙进行充分混合，再加入一定量的润湿剂和粘结剂，混合均匀，经12h焖料，压制成35mm×6mm×6mm 和Φ8mm×8mm的样条，经过干燥，烧结得到陶瓷结合剂试样。

3 结果与讨论

3.1 结合剂硬度的研究

本试验共有9组正交试验加上对照组（编号0）实验10组试验，分别在680℃，730℃，750℃，810℃，830℃，850℃，870℃七种温度下进行烧结，在洛氏硬度计上选择3个点测试，这3个数值的平均值即它们的硬度值，考虑到正交实验，只选用每组配方中最大的硬度值来分析。具体数据如表3-1所示。

3.2 结合剂硬度的正交分析

如表3-2所示，通^极差分析法可知：（1）三个因素的主次关系为纳米氧化钙、纳米氧化铝 、纳米氧化硅，其中空列的极差大于纳米氧化硅的，这表明不同因素之间存在较强的交互作用，进行相关研究需进一步考虑；（2）最优化方案中，纳米氧化铝因素最佳水平为2%，纳米氧化硅因素最佳水平为4%，纳米氧化钙因素最佳水平为1%，即第7组配方。

从图3-1可以看出，随着纳米氧化铝含量增加，洛氏硬度在一直提高，但在1%以后，升高速度变缓；随着纳米氧化钙含量增加，洛氏硬度出现先升后降的趋势，在1%时，洛氏硬度值达到最大；随着纳米氧化硅含量增加，洛氏硬度出现先降后升的现象，由此看出，纳米氧化硅低时，其对洛氏硬度的影响是不利的，在含量为4%时，洛氏硬度最大。

4 结论

（1）结合剂配方纳米组分的优化有利于改善其硬度，纳米组分对硬度影响主次因素为纳米氧化钙、纳米氧化铝 、纳米氧化硅。

（2）最优的结合剂配方组分优化方案为A3C2B3，其中纳米Al2O3含量为2%，纳米CaO含量为1%，纳米SiO2含量为4%，其硬度达到68.4HRc。

参考文献：

碳化硅陶瓷篇7

2.低温合成NaTaO3纳米微粒 宫红，卞玉波，姜恒，Gong Hong，Bian Yubo，Jiang Heng

3.溶胶凝胶法制备SiO2气凝胶/纤维复合材料及其性能的表征 高富强，曾令可，王慧，程小苏，刘平安，Gao Fuqiang，Zeng Lingke，Wang Hui，Cheng Xiaosu，Liu Ping'an

4.Ce3+掺杂TiO2-ZnO凝胶的相变过程研究 闫龙，王玉飞，韩志萍，Yan Long，Wang Yufei，Han Zhiping

5.SOFC连接材料掺杂铬酸镧粉体的合成 廖花妹，罗凌虹，吴也凡，程亮，石纪军，韦斐，Liao Huamei，Luo Linghong，Wu Yefan，Cheng Liang，Shi Jijun，Wei Fei

6.硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的抗热震性能研究 马红萍，祝邦文，王建武，吴赛豪，Ma Hongping，Zhu Bangwen，Wang Jianwu，Wu Saihao

7.水热法合成阴极粉体LaxSr1-xMnO3的研究 汪兴华，罗凌虹，吴也凡，王程程，程亮，石纪军，Wang Xinghua，LuoLinghong，Wu Yefan，Wang Chengcheng，Cheng Liang，Shi Jijun

8.LiTaO3压电陶瓷烧结工艺的优化 张有凤，周玉，贾德昌，孟庆昌，Zhang Youfeng，Zhou Yu，Jia Dechang，Meng Qingchang

9.溶胶-凝胶共沉淀法制备硅铁红色料 王艳香，黄丽群，孙健，彭文，Wang Yanxiang，Huang Liqun，Sun Jian，Peng Wen

10.PMMA/PZT复合材料的制备及电性能研究 黄学辉，张丽丽，夏莹，Huang Xuehui，Zhang Lili，Xia Yin

11.Al2O3/h-BN自复相陶瓷烧成工艺的探讨 孙媛媛，唐惠东，李龙珠，王芬，Sun Yuanyuan，Tang Huidong，Li Longzhu，Wang Fen

12.有机发光器件的光电性能研究 王英连，曾仁芬，叶君耀，Wang Yinglian，Zeng Renfen，Ye Junyao

13.TiB2泡沫陶瓷浆料的制备 蒋蓉，韩少维，Jiang Rong，Han Shaowei

14.磷酸盐对水热和溶剂热合成的纳米氧化锌粉的影响 范学运，余熙，王艳香，孙健，Fan Xueyun，Yu Xi，Wang Yanxiang，Sun Jian

15.原位热压2TiC/Ti/Al合成Ti3AlC2陶瓷 艾桃桃，冯小明，解念锁，徐峰，赵卓玲，李文虎，Ai Taotao，Feng Xiaoming，Xie Niansuo，Xu Feng，Zhao Zhuoling，Li Wenhu

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18.镝铝石榴石(DAG)粉体的溶胶凝胶法制备工艺研究 魏妙，陈沙鸥，邵渭泉，姜学军，李达，孙瑞峰，张展，Wei Miao，Chen Shaou，Shao Weiquan，Jiang Xuejun，Li Da，Sun Ruifeng，Zhang zhan

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23.源于核桃壳的生物形态多孔炭的制备及其性能研究 汪文祥，公伟伟，高朋召

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25.共沉淀法制备Bi12TiO20纳米粉体及其光催化性能研究 刘欣等，Liu Xin

26.固相法制备硅铁红陶瓷色料 黄丽群，Huang Liqun

27.泡沫浸渍法制备氧化铝多孔陶瓷 甘学贤，Gan Xuexian

28.利用铝型材厂工业废渣制备莫来石质耐火材料 刘艳春，曾令可，祝杰，王慧，戴武斌，程小苏，王兆春，Liu Yanchun，Zeng Lingke，Zhu Jie，Wang Hui，Dai Wubin，Cheng Xiaosu，Wang Zhaochun

29.琉璃瓦用园子红釉的研制 董伟霞，包启富，郑婷，Dong Weixia，Bao Qifu，Zheng Ting

30.ZrO2-Al2O3系复合粉体的制备研究 刘振英，Liu Zhenying

31.ZnS/SiO2核壳复合结构的制备 徐依玺，宁青菊，许春东，Xu Yixi，Ning Qingju，Xu Chundong

32.辊道窑闸板结构对预热带烟气流动的影响 童剑辉，汪和平，Tong Jianhui，Wang Heping

33.CaO-SiO2-P2O5系铁红花艺术釉制备工艺研究 石小涛，章婷，范学运，Shi Xiaotao，Zhang Ting，Fan Xueyun

1.用于太阳能储热的粘土结合SiC复相陶瓷结构分析 徐晓虹，李剑，吴建锋，方斌正，刘孟，Xu Xiaohong，Li Jian，Wu Jianfeng，Fang Binzheng，Liu Meng

2.基于ANSYS变温场的真空练泥机泥料挤出质量的研究 吴南星，朱金贵，张柏清，Wu Nanxing，Zhu Jingui，Zhang Baiqing

3.一种新型的水系流延工艺制备中温SOFC电解质YSZ薄膜 侯冰雪，罗凌虹，吴也凡，王程程，程亮，石纪军，Hou Bingxue，Luo Linghong，Wu Yefan，Wang Chengcheng，Cheng Liang，Shi Jijun

4.不同时期古耀州瓷的无损鉴别研究 杨大伟，冀勇，李融武，李国霞，赵维娟，郭敏，谢建忠，高正耀，承焕生，禚振西，Yang Dawei，Ji Yong，Li Rongwu，Li Guoxia，Zhao Weijuan，Guo Min，Xie Jianzhong，Gao Zhengyao，Cheng Huansheng，Zhuo Zhenxi

5.放电等离子烧结工艺对ZrB2-YAG陶瓷力学性能的影响 宋杰光，王秀琴，王伟元，张小强，马永红，吴龙彪，吴婷，张联盟，Song Jieguang，Wang Xiuqin，Wang Weiyuan，Zhang Xiaoqiang，Ma Yonghong，Wu Longbiao，Wu Ting，Zhang Lianmeng

6.MCM-48介孔分子筛的合成与表征 潘健民，成岳，魏运洋，Pan Jianmin，Cheng Yue，Wei Yunyang

7.玻璃粉粒度分布对复相玻璃-陶瓷烧结性能及介电性能的影响 邵辉，周洪庆，方亮，韦鹏飞，Shao hui，Zhou Hongqing，Fang Liang，Wei Pengfei

8.Ca0.2 (Li1/2Sm1/2)0.8TiO3微波介质陶瓷低温烧结研究 李月明，张斌，张华，廖润华，王竹梅，洪燕，Li Yueming，Zhang Bin，Zhang Hua，Liao Runhua，Wang Zhumei，Hong Yan

9.α-Al2O3微滤膜耐酸碱腐蚀性研究 汪永清，汪锦明，施群，陈紫谦，饶卉，Wang Yongqin，Wang Jinming，Shi Qun，Chen Ziqian，Rao Hui

10.钒酸镧纳米棒的水热合成 贾丽萍，蒲锡鹏，张大凤，李继超，Jia Liping，Pu Xipeng，Zhang Dafeng，Li Jichao

11.钛酸铋陶瓷靶材的热压烧结 傅力，王传彬，黄攀，沈强，张联盟，Fu Li，Wang Chuanbin，Huang Pan，Shen Qiang，Zhang Lianmeng

12.二氧化钛纳米管的制备及其表征 林幸，刘维良，Lin Xing，Liu Weiliang

13.MgO-CaO陶瓷抗热震稳定性研究 黄学辉，尹炳坤，张丽丽，夏莹，Huang Xuehui，Yin Bingkun，Zhang Lili，Xia Ying

14.碳酸羟基磷灰石的生物矿化研究 朱庆霞，徐琼琼，罗民华，Zhu Qingxia，Xu Qiongqiong，Luo Minghua

15.钇掺杂对BaSnO3陶瓷热电性能的影响 曹恒淇，肖汉宁，康灵，王明明，Cao Hengqi，Xiao Hanning，Kang Ling，Wang Mingming

16.陶瓷微滤膜的亲疏水性变化对水通量的影响 何汝杰，吴也凡，周健儿，石纪军，余婷，潘霞，韦斐，He Rujie，Wu Yefan，Zhou Jian'er，Shi Jijun，Yu Ting，Pan Xia，Wei Fei

17.分散剂对二硼化锆粉体分散稳定性的影响 宋杰光，杜大明，王秀琴，王伟元，张小强，吴龙彪，徐斌，纪岗昌，张联盟，Song Jieguang，Du Daming，Wang Xiuqin，Wang Weiyuan，Zhang Xiaoqiang，Wu Longbiao，Xu Bin，Ji Gangchang，Zhang Lianmeng

18.陶瓷膜乳化法制备O/W乳状液 王长进，施庆乐，金江，Wang Changjin，Shi qingle，Jin Jiang

19.纤维多孔陶瓷孔结构参数的测定 罗民华，曾令可，石小涛，梁华银，朱庆霞，Luo Minhua，Zeng Lingke，Shi Xiaotao，Liang Huayin，Zhu Qingxia

20.反向共沉淀法制备3YSZ超细粉体 陈士冰，王世峰，李亮，Li Liang，Chon Shibing，Wang Shifeng，Xin Xuliang，Li Liang

21.溶胶-凝胶法制备Y2O3:Eu薄膜电致发光材料的研究 于长凤，朱小平，凌青，张脉官，Yu Changfeng，Zhu Xiaoping，Ling Qing，Zhang Maiguan

22.陶瓷废料微粉在混凝土中的应用试验研究 李丽霞，Li Lixia

23.碳氮化钛的微波合成 刘阳，Liu yang

24.建陶辊道窑预热带流场特征分析 童剑辉，冯青，Tong Jianhui，Feng Qing

25.高岭土的改性研究 周曦亚，姚莉莉，刘卫东，胡俊，Zhou Xiya，Yao Lili，Liu Weidong，Hu Jun

26.废玻璃降低日用陶瓷烧成温度的研究 蒋述兴，黎明，李龙，胡嘉文，闫芳，Jiang Shuxing，Li Ming，Li Long，Hu Jiawen，Yan Fang

27.多孔陶瓷生物反应器处理微污染水的研究 朱华清，陈云霞，刘媚，Zhu Huaqing，Chen Yunxia，Liu Mei

28.短纤维增强铝基复合材料预制件制备工艺的研究 赵文侠，杨永顺，郭俊卿，Zhao Wenxia，Yang Yongshun，Guo Junqing

29.低温无铅砂金釉制备工艺因素的研究 范学运，王艳香，陈灵明，余熙，Fan Xueyun，Wang Yanxiang，Chen Lingming，Yu Xi

30.磷酸对硅微粉研制的多孔陶瓷的影响 林亮，Lin Liang

31.有机海泡石的制备及其结构性能的研究 苏小丽，夏光华，廖润华，Su Xiaoli，Xia Guanghua，Liao Runhua

32.钛酸铋钠基无铅压电陶瓷粉体的制备技术 周丽敏，方必军，李祥东，Zhou Limin，Fang Bijun，Li Xiangdong

33.纳米氧化锌陶瓷材料的制备方法及研究进展 李抗，黄剑锋，Li Kang，Huang jianfeng

34.金色云母珠光颜料在建筑陶瓷的应用 董伟霞，包启富，Dong Weixia，Bao Qifu

35.PEG软模板水热合成纳米氧化锌粉的研究 孙健，李小燕，王艳香，Sun Jian，Li Xiaoyan，Wang Yanxiang

36.卫生洁具烧成缺陷工况监测预报专家系统的研究 周露亮，胡国林，钟贵全，Zhou Luliang，Hu Guolin，Zhong Guiquan

37.基于建筑设计"文脉"原则的环境陶艺设计 王亚红，程幸，Wang Yahong，Cheng Xing

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40.全球化语境下中国当代陶艺的民族性 李玲玲，吴斌，Li Lingling，Wu Bin

1.氧供体醇对非水解溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜结构及性能的影响 包镇红，江伟辉，余琴仙，苗立锋，谭训彦，虞澎澎，于云

2.纳米介孔分子筛球作为难溶性药物长效缓释的研究 徐莹璞，王宇，曲凤玉，武祥，马金艳

3.高比表面多孔结构的γ-Al2O3为载体的新型催化剂的开发初探 石纪军，吴也凡，罗凌虹，程亮，何汝杰，韦斐，陈猛，余婷

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5.镁渣多孔陶瓷滤球气孔率的调控 吴建锋，梁凤，徐晓虹，成昊，叶芬，周安妮

6.卷心菜型的NiO为载体的钛酸钡光催化剂的性能研究 潘霞，吴也凡，罗凌虹，石纪军，程亮，何汝杰，余婷，韦斐

7.碳化硅-二硼化钛复合材料烧结工艺研究 陈宇红，杨和平，贾雪荭，陈百义

8.聚合物前驱体法制备铌酸钾钠纳米粉体 李菊梅，江向平，涂娜

9.含Ce(SO4)2电解液体系中所形成AZ91D微弧氧化膜层的表征 王欢，刘向东，张雅萍，乌迪，陈伟东，李元涛

10.可降解环保陶瓷的制备及性能研究 吴军明，吴隽，李其江，张茂林，袁文瓒

11.铝质原料对多孔针状莫来石合成的影响 周健儿，张小珍，蔡细鄂，汪永清，胡学兵

12.La掺杂纳米TiO2的制备及其节能灯光催化性能研究 李桂花

13.晶种增韧Sialon陶瓷材料的制备与性能研究 石现友，陈涵，郭露村

14.羟基磷灰石和碳酸羟基磷灰石结构和细胞相容性的对比研究 朱庆霞，徐琼琼，刘欣

15.以MAS为添加剂的碳化硅复合多孔材料的制备 张丽，武七德，项海波，许宏民，王克刚

16.钙铝硅系95氧化铝材料的正交设计研究 吴坚强，王群，赵光岩

17.单分散二氧化硅微球的制备及反应机理 聂鲁美，张俊计，陈积世，吴秀娟，赵景训

18.工艺参数对干压成型制备的氧化铝载体渗透通量的影响 胡学兵，周健儿，汪永清，张小珍

19.CaO-Al2O3-SiO2-F系统玻璃密度与结构关系研究 孟政，刘树江，沈建兴，高彬

20.钛酸铝质多孔隔热材料的制备 刘欣，顾幸勇，李家科

21.复合分散剂稳定的氧化铝悬浮液抗电解质特性的研究 吕明静，肖春霞，郭露村

22.天然硼钙石质低温生料透明釉的研制 李润润，李月明，张华，江良，刘虎

23.FeCrAl基高温抗氧化陶瓷涂层抗热震性能的研究 李家科，周健儿，刘欣

24.景德镇传统陶瓷坯体"一元"配方研究 郑乃章，莫云杰，苗立锋，熊春华

25.以锂云母尾砂、粉煤灰为主要原料试制外墙砖 刘属兴，赵俊杰，李成平，张小锋，余娆，于国强

26.利用钢渣及陶瓷废渣制备新型建材 梁健，唐奇，岑明炎

27.玲珑釉的制备工艺与研制 洪琛，段鑫，沈华荣，陈云霞，曹春娥

28.N-Ti-ZSM-5分子筛的合成及光催化性能研究 成岳，苏晓渊

29.餐具用乳浊玻璃材料的研制 陈云霞，肖鹏

30.低温快烧复合亚光釉的研制 李艳萍，洪琛，沈华荣

31.一种基于粗糙集神经网络的陶瓷原料分类方法 秦祎晗，柳炳祥，彭文

32.金属陶瓷刀具材料研究进展 李少峰，刘维良，彭牛生，张小锋

33.纳米孔超绝热材料的制备及改性 罗民华，梁华银，朱庆霞，石小涛

34.超高温陶瓷材料的抗氧化性 刘东亮，金永中，邓建国

35.陶瓷生态工业园的陶瓷生产过程能量集成分析 宫小龙，梁华银，冯青，陆琳，严景华

碳化硅陶瓷篇8

关键词纳米陶瓷，团聚，表面改性，应用

1前 言

纳米材料为颗粒或尺寸在一维尺度上小于100nm，并且具有截然不同于块状材料的电学、磁学、光学、热学或力学性能的一类材料体系[1]。其介于团簇与体相之间的特殊状态，具有宏观体相的元胞和键合结构[2]，赋予了纳米微粒许多优异的性能，如小尺寸效应、表面与界面效应、体积效应、宏观量子隧道效应等。

Si3N4、AlN、TiN、SiC、BN等陶瓷纳米粉体是一类高性能的纳米材料，除了具备纳米级材料所特有的效应，还保持了陶瓷材料的高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。目前，科研工作者已研究了其在塑料、橡胶、聚氨酯等材料中的应用，制备了一系列性能优异的复合材料。但是由于纳米粒子的比表面积大，表面能高，具有很高的活性，处于非热力学稳定状态，且在使用过程中分散性差，易于团聚[3～4]，所以在应用上还存在着技术瓶颈。因此，在制备和应用的过程中需要通过对其进行表面改性处理，以更好地发挥其特殊的功能效应。

2陶瓷纳米粉体的表面改性与应用

2.1 纳米氮化硅（Si3N4）

纳米Si3N4表面呈叔胺结构（Si3N），由于其表面积大，表面硅原子的化学键得不到饱和，存在着许多硅悬键（N3Si0）。当它们暴露于空气中时，该结构具有很高的反应活性，能与空气中的水和氧发生缓慢的反应，而在粉体的颗粒表面生成一系列的表面活性基团。对纳米氮化硅粉体的XPS和FTIR分析表明，颗粒表面的吸附杂质主要是O2及CO2、H2O。

纳米Si3N4的改性方法有化学方法和物理方法两种，其中化学方法有偶联剂法、表面活性剂法、大分子法等。王君等人[5]用硅烷偶联剂缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-50）对纳米氮化硅进行表面改性，实验证明该方法有效、可行，并且KH-50的最佳用量为氮化硅用量的1%。田春燕[6]通过实验发现加入适量的表面活性剂能改善纳米Si3N4的分散效果，阳离子型表面活性剂聚甲基丙烯酸胺的分散效果优于非离子型表面活性剂吐温280；分散体系的pH值也影响纳米Si3N4粉的分散效果。张卫昌[7]等人用液体羧基丁腈橡胶对纳米Si3N4粉体表面进行改性研究，处理过的Si3N4粉体粒径明显减小，在有机溶剂中的分散性良好；亲水性减小，亲油性增加，表面自由能明显降低，处理后的纳米Si3N4粉体更容易在聚合物中分散。

纳米粒子物理改性的手段可分为机械力分散法、超声波分散法、高能处理法等。F.Brenscheidt[8]等人用高强度脉冲法对Si3N4陶瓷的纳米粉体进行表面修饰，发现其力学性能尤其是抗磨性能得到很大的提高。

氮化硅[9]既可作发动机零部件和刀具材料，又可做抗腐蚀和电磁方面的材料，但其塑性变形能力差、韧性低、不易形变。由于纳米粉末具有巨大的比表面积，使作为粉末性能驱动力的表面能剧增，扩散速率增大，路径变短，因而烧结致密化速度加快，温度下降，烧结时间缩短，既可获得很高的致密化又可获得纳米级尺度的显微结构，这样的纳米陶瓷具有最佳的力学性能，还有利于减少能耗，降低成本。纳米Si3N4的烧结温度比微米级的降低了400～500℃。许多研究还发现，将纳米氮化硅粉体加入聚合物中也有望提高聚合物复合材料的相关性能：夏茹等[10]用粒径为20nm的纳米氮化硅(Si3N4)填充丁腈橡胶(NBR)制备纳米橡胶复合材料，用大分子偶联剂对纳米Si3N4进行表面处理，研究了复合材料的力学性能和热老化性能等。结果表明，纳米Si3N4的加入一定程度上提高了NBR的撕裂强度、拉伸强度、耐磨性等，明显降低了内耗，改善了橡胶的动态力学性能和耐热老化性能。董英鸽等人[11]以微米级氮化硅为起始原料，加入纳米氮化硅来增强基体，随着加入量的增加，显气孔率增加，吸水率增加；加入3wt%的纳米氮化硅时，试样的体积密度最大，抗弯强度、洛氏硬度、断裂韧性最好，具有较理想的显微结构。

对纳米Si3N4粒子进行适当的表面改性可有效阻断在高表面能作用下的团聚现象，继续保持纳米Si3N4粒子的特有性能，从而拓展了纳米Si3N4的应用领域。

2.2 纳米氮化铝（AlN）

红外光谱测出在氮化铝粉末表面存在着-OH、-NH-和-NH2等活性基，因此可以认为在氮化铝表面同样发生了类似于氮化硅表面所发生的表面化学反应。此外，氮化铝粉末由于表面活性较高，易与空气中的水蒸气发生反应，因此氮化铝粉末表面还会包覆Al(OH)3或AlOOH（铝水合物）的薄膜。

徐征宙[12]等人用硅烷偶联剂KH-550对纳米AlN粉末表面进行修饰改性并采用XRD和红外光谱分析了硅烷处理AlN粉末的修饰机理。马文石[13]对纳米AlN粉用偶联剂-苯乙烯接枝进行表面修饰，显著提高了其抗水解的能力，室温下长达一个月遇水不发生变化；在70℃的热水浴浸泡24h，其悬浮液pH值仍能保持在7.0。其最佳工艺条件是：以无水乙醇为溶剂、处理剂的加入量为5wt%、70℃反应3h，活化指数可以达到1.0。

AlN陶瓷纳米粉体本身具有极好的热稳定性和优良的导热性，当表面经修饰处理的纳米陶瓷粉体在橡胶基体中均匀地分散并达到良好的相容时，不仅对橡胶具有明显的补强效果，而且能将橡胶动态内耗生热有效导出，从而提高橡胶耐动态热老化性能，延长其寿命，特别适合制造汽车橡胶减震件。王涂根[14]研究了纳米AlN含量对复合材料性能的影响和Cu/AlN复合材料的软化温度特性。结果表明，在烧结过程中，弥散分布在铜基体中的纳米AlN颗粒对致密化以及晶粒长大都有阻碍作用。随着复合材料中AlN颗粒质量分数的增加，材料的密度和导电性呈下降趋势，而硬度出现极大值。复合材料的软化温度达到700℃，远远高于纯铜的软化温度(150℃)，从而提高了材料的热稳定性。

2.3 纳米氮化钛（TiN）

氮化钛具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震、密度低且硬度高等优异性能，用它作为增强相，可有效提高金属、陶瓷基体材料的力学性能和导电性能。它的熔点比大多数过渡金属氮化物高，而密度却比大多数过渡金属氮化物低，因而它是一种很有特色的陶瓷材料，可用以制造汽车橡胶减震件。

许育东[15]等人运用超声分散技术研究了纳米TiN粉的分散性能并得到了优化的超声及分散工艺参数：分散介质为无水乙醇，加入量为3wt%，超声时间为30～40min。实验发现，分散体系中表面活性剂的引入是必要的，且加入量要合适。加入吐温-80等非离子型表面活性剂比加入十二烷基苯璜酸等阴离子表面活性剂的效果更好。分散体系的pH值对分散状况有一定的影响。

刘宁[16]等人研究了纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具与普通Ti(C，N)基金属陶瓷刀具及硬质合金刀具在切削正火态45钢时的磨损曲线及磨损机理。结果表明：纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的效果明显；与硬质合金刀具相比，纳米改性金属陶瓷刀具优良的综合性能使其具有更高的耐磨性。夏法锋[17]等人研究的含有纳米TiN粒子的Ni2TiN复合镀层，不仅具有细密的显微结构，而且表现出优良的性能，如较高的硬度以及良好的耐磨性能和耐腐蚀性能。Ni2TiN复合镀层的磨损量大约为纯镍镀层的1/5，其平均腐蚀速率为纯镍镀层的1/3左右，20钢的1/5。

2.4 纳米氮化硼（BN）

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌型氮化硼(wBN)。其中立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，但热稳定性和化学惰性远高于金刚石。具有弱铁磁性，在573～973K有氧化性，表面有B2O3保护层（反应式为2BN+3/2O2=B2O3+N2）。而六方氮化硼的突出特点是具有类似石墨的层状结构和很好的性。

王向东[18]以氢氧化法制备出纳米氮化硼包覆微米氮化硅的Si3N4/BN纳米复合粉体，氮气氛下处理后，所得复合粉体经1800℃热压烧结可获得加工性能良好的复相陶瓷。李永利等通过原位化学包覆工艺制备的可加工Al2O3/BN纳米复合材料的抗热震性能明显优于Al2O3基体材料，其热震温差ΔTc从195℃提高到约395℃，抗热震损伤性能也得到相应的改善。

2.5 纳米碳化硅（SiC）

碳化硅为共价化合物，Si-C之间的键合力很强，属于金刚石结构。它的高温强度大，一般陶瓷在1200℃～1400℃时强度显著下降，而碳化硅的抗弯强度在1400℃时仍保持在500～600MPa。碳化硅的热传导能力很高，热稳定性、耐蚀性、耐磨性也很好。作为陶瓷材料，它具有高硬度、高热稳定性及抗腐蚀性；作为半导体材料，它有宽的带隙、耐电击穿、热稳定性好等特点。

李超[19]等人根据置换反应的原理将Cu2+还原为Cu原子，在纳米SiC颗粒表面成核，实现了Cu包覆纳米SiC颗粒。分析表明：复合粉体包覆完全、分散均匀、无明显团聚、大部分呈球形。在空气中会部分氧化，生成一定量的Cu2O，应用时可根据需要进行适当处理。纳米SiC颗粒表面改性后，可以改善其在Cu基合金中的分散性和相容性，满足了表面改性的要求。

车剑飞[20]采用缩聚法在纳米SiC表面接枝了聚缩醛。分析结果表明，纳米SiC表面形成了良好的表面修饰层，接枝物聚缩醛以化学键结合于纳米SiC表面。张巨先、候耀永[21]以pH值缓冲溶液作为沉淀剂，利用非均匀成核法在纳米SiC微粒表面均匀涂覆一层Al(OH)3。通过控制 Al(OH)3的生成量，控制涂层的厚度。涂覆后的SiC粒子表面性质被改变，其水悬浮液表现出类似Al2O3的胶体特性，并且其在水中的分散状况也得到改善。此外，涂覆后的SiC粒子，在1000℃以下具有很强的抗氧化能力。

李建卫[22]等人采用改性纳米SiC粉体对球墨铸铁进行了强韧化处理，研究了不同的纳米SiC粉体加入量对球墨铸铁的微观组织、力学性能以及耐磨损性能的影响。结果表明，经改性的纳米SiC粉体强韧化处理后，球墨铸铁的韧性和耐磨损性能提高，其中的石墨球尺寸减小，圆整度提高，铁素体含量增多。当粉体加入量为0.11%(质量分数)时，其延伸率和冲击功分别增加了19%和194%。耐磨损性能提高的原因是石墨球形态的改善和基体组织韧性的提高。

喻丽华[23]用分散良好、界面结合良好的纳米SiC改性酚醛树脂，用超声波对纳米SiC进行物理分散，用偶联剂对其进行表面化学改性。经表面改性的SiC纳米粒子酚醛树脂较纯酚醛树脂的热稳定性要好。

由于SiC纳米粉制得的涂层具有更为优良的耐高温强度、耐磨性，可作为结构材料广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域；SiC材料的高热导率和高绝缘性等特性，使其可在电子工业中作大规模的集成电路的基片和封装材料；SiC纳米涂层也是高温结构陶瓷的理想材料，可涂覆在高温燃气轮机的转子、喷嘴、燃烧器、高温气体的热交换器部件上，以及发动机的汽缸和活塞等部件上，还可作为核反应堆材料及火箭头部雷达天线罩等。高热辐射性是SiC纳米涂层的一个很有实用价值的特性。将SiC纳米涂层喷涂于各种加热炉的内衬上，可增加炉壁的热辐射能力，提高加热元件或炉体与工件之间的热交换强度和速度，实现高效节能的目的[24]。致密的SiC纳米涂层光散射小、在宽电磁波范围内反射率高，因此是迄今为止最为理想的卫星反射镜材料[25]。

3结 论

只有解决好纳米粒子在材料中的团聚问题，纳米粒子的特殊效应才会在材料中得到很好的体现，从而使材料的力学、光学、热学等方面的性能得到较大的提高。由于纳米材料表面处理技术复杂、成本高，以及在不同的应用领域往往需要不同的改性方法，这为改性纳米陶瓷工业化推广带来诸多不便，需要不断探索更简便、更有效的改性方法，从而更广泛地推进纳米陶瓷的应用。

参考文献

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Surface Modification and Application of Nano-Powder

Wang HaiyanZhang Yuchuan

(College of Chemistry and EngineeringAnhui UniversityHefeiAnhui 230031)

碳化硅陶瓷篇9

痴心报国

1938年，张立同出生于四川重庆，童年那段国破家亡的逃难经历，在她幼小的心灵中刻下深深的烙印。1956年，她考入北京航空学院热力加工系。毕业后，家在北京的张立同却选择了西北工业大学，全力投入到艰苦的材料科学研究领域，一干就是40多个春秋。

上世纪70年代初，发达国家已将一些重要的涡轮叶片生产由锻造改为无余量熔模精密铸造，叶片的工作面无需加工就可达到所要求的尺寸精度和表面光洁度。而当时我国的熔模铸造技术还十分落后，即使增加抛光余量的叶片，变形报废率仍高达百分之三十至五十。强烈的爱国精神和忧患意识，使张立同勇敢地承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”攻关课题。

经过半年不分昼夜的工作，她从获得的数万个数据分析中，找到了叶片变形规律，成功地攻克了困扰航空熔模铸造生产十几年的刚玉型壳高温变形问题。采用她创造的工艺铸造技术，中国制造出了第一个无余量叶片。

1976年，我国引进英国斯贝发动机专利，其中陶瓷型壳材料、模料和陶芯分属另三个厂家专利，需再花上百万美元去买。张立同毅然地承担起国家这项急需的攻关项目。

那时，地震天灾和人祸使得不少生产部门处于瘫痪状态。但“国家需要”的号令鼓舞着她去克服困难。为了寻找材料的定点厂，她跑遍了铜川矿区，没有设备仪器，自己研制。一天深夜在实验室，因为过度劳累，一不小心被喷出的高温蜡糊住了双眼，眼球被烧伤。可是第三天，眼伤未愈，她又扎进了实验室。凭着这种拼命精神，张立同带领课题组经过一千多个日日夜夜的奋战，用铜川上店土型壳材料铸造成功我国第一批高精度、低粗糙度的低压一级无余量空心导向叶片。外国公司的专家以怀疑的态度将上店土型壳材料、模料和叶片带回国鉴定。在精确的测试数据面前，专家们信服了。从此，我国的熔模铸造水平进入了国际先进行列。

呕心沥血

根据国际航空航天材料的发展趋势和多年从事高温陶瓷材料研究的实际经验，1987年，张立同凭着一个优秀科学家特有的敏锐，果断地提出了发展航空航天高温结构陶瓷的新方向。两年后，张立同作为高级访问学者来到美国NASA空间结构材料商业发展中心实验室，承担了美国未来大型空间站结构用连续纤维增韧陶瓷基复合材料的探索研究工作。她带领美国研究生，用一年半时间研究出三种低密度、高比强、高比模的陶瓷基复合材料，并通过了空间环境试验。该中心主任沃廉斯教授惊喜地说：“张立同教授的才能和工作效率令人吃惊！”

国外研究经历坚定了她发展“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料”的决心和占领这一高技术领域的信念。1991年，张立同怀着报效祖国的强烈愿望带着国外的研究成果回到西北工业大学。

万事开头难。张立同带领课题组在经费十分困难的情况下，因陋就简自制了一台热压机。1992年冬天，西安的天气格外寒冷，为了调试热压炉，他们在冰冷的实验室度过了春节。

正当张立同和同事们艰苦攻关的关键时刻，下海经商的风气又给张立同课题组带来了新考验。她发动大家进行了热烈讨论：“我们要发挥群体力量去赚钱，积累资金，稳定队伍，等待机遇发展陶瓷基复合材料”。团结就是力量。他们采取“航空为本、重点突破、军民两用”的发展策略，很快就在高温陶瓷材料的应用开发上取得了很好的经济和社会效益。利用开发新产品获得的20万元，自行研制了一台小型设备，由此拉开了“碳化硅陶瓷基复合材料研究”的序幕。

碳化硅陶瓷基复合材料的研究虽有了进展，但在把实验型技术与设备向工程型转化时，遇到了意想不到的困难。几乎使张立同课题组对CVI工艺丧失信心！1995年，国际CVI碳化硅陶瓷基复合材料的技术鼻祖Naslain教授被盛情邀请到西工大，希望能给予点拨和指导。Naslain教授在看过他们研制的设备后，毫无表情地说了两句话：“我掌握CVI工程化技术花了20年，你们至少要用10年”。

勇攀高峰

张立同课题组的师生夜以继日地干在实验室，却做不出一炉性能合格的试样。不怕失败，就怕没有恒心，没有创新！在三年的时间里，他们先后做了四代CVI设备，试验了400余炉次，又是一个“一千个日日夜夜”。1998年底，第一批性能合格的试样终于制出。接着，碳化硅陶瓷基复合材料制造工艺与设备的一系列核心关键技术也被全面突破，材料性能达到国际先进水平，并获得了六项国家发明专利，形成了具有自主知识产权的制造工艺及设备体系，我国第一个超高温复合材料实验室从此诞生。中国一跃成为继法国和美国之后，第三个全面掌握碳化硅陶瓷基复合材料CVI制造技术及其设备的国家。

碳化硅陶瓷篇10

关键词：Cr/Si/C复相陶瓷；反应烧结；显微组织结构

1实验方法

以纯度为99%的绿碳化硅粉末为原料，添加相应的分散剂、有机单体和交联剂，并加入碳化硅粉末总重量的8%的Cr2C3作为增强剂，通过凝胶注模成型工艺制备Ф200mm×15mmSiC素坯。凝胶注模成型工艺详见文.素坯干燥后，置于真空烧结炉中950℃脱脂碳化。将纯Si块覆盖碳化后的坯体，在1600℃真空条件下反应烧结，保温2h,随炉冷却，得到致密的Si/C/Cr复相陶瓷。

将块体样品加工成4mm×3mm×40mm标准抗弯力学试样，采用三点弯曲测量材料的抗弯强度和弹性模量。采用三点弯曲单边切口梁测量材料的断裂韧性。测试使用仪器为CRIMSDDL10型万能力学试验机，测试方法遵循精细陶瓷弯曲强度试验方法GBT6569-2006以及精细陶瓷断裂韧性试验方法GBT23806-2009.材料弹性模量的测量通过抗弯梁的最大挠度和载荷进行计算获得。所有力学性能值均由6个以上样品的测量值取算术平均获得。

经过精磨和抛光后的样品在乙醇介质中经过超声洗涤后，由XRD进行物相分析，所用仪器为日本理学UltimaIV,CuKα射线。用浓度为5%的NaOH溶液在室温下腐蚀复相陶瓷抛光面，腐蚀时间为72h,将腐蚀后和未经腐蚀的样品抛光面置于LeicaDM4000B光学显微镜中进行对比观察，初步分析所得Cr/Si/C复相陶瓷的物相分布。

2结果与讨论

2.1XRD物相分析

   烧结过程中反应体系的元素确定，因而采用XRD可以进行全面的物相鉴定，见图1.反应烧结最终生成物有主相SiC,CrSi2和残余Si.CrSi2的生成是由Cr2C3在高温条件下溶解于熔融Si中，并分解出游离态Cr原子，剩余的C原子以及脱脂碳化后坯体内的游离C元素与熔融Si反应，析出新的SiC,根据实验XRD衍射花样标定结果，新生成的SiC与SiC原料晶体结构可能一致，也可能因为SiC新生相物质的量太少，其衍射峰淹没于X射线的信号背景中。因此反应(2)生成的物相结构需进一步验证。降温过程中，因液态游离Si过量，Cr和一定量的Si二元体系产生共晶反应析出次生中间相CrSi2.物理化学过程见反应方程(1)~(3)

图1Cr/Si/C复相陶瓷XRD衍射花样

         Cr2C32Cr+3C(原子)(1)

Si(液态)+C(原子)=SiC(2)

Cr+2SiCrSi2(3)

2.2Cr/Si/C复相陶瓷显微组织结构

图2a和图2c中深色颗粒状物质为SiC,浅色连续分布填充SiC颗粒间隙的为剩余Si,在连续的Si相中分布有尺寸约150μm团簇状的物质，该物质为CrSi2.由凝胶注模成型和反应烧结工艺制备的Cr/Si/C复相陶瓷内部，不同粒径SiC颗粒分布均匀，小粒径颗粒分布于大颗粒间隙，说明球磨混料和凝胶注模成型工艺能够实现材料的宏观均匀化，避免颗粒偏聚从而可能引起的力学性能下降。反应烧结后陶瓷几乎达到100%致密，在显微镜下无可观测气孔，反应产物和剩余Si充分填充SiC多孔坯体的空隙。SiC与反应产物CrSi2和剩余Si之间的界面清洁平直，无被侵蚀后再结晶或与剩余Si互溶析出导致颗粒圆化的迹象，说明反应烧结过程中，生成CrSi2的反应(3)Si源来自于游离态熔融Si,故在SiC坯体中添加CrSi2再进行反应烧结能降低剩余Si这一脆性相的含量。

图2Cr/Si/C复相陶瓷微观组织

a.100×样品抛光面金相；b.100×样品腐蚀面；c.500×样品抛光面金相；c.500×样品腐蚀面

经过充分腐蚀后样品显微结构见图2b和图2d.反应烧结后复相陶瓷中剩余Si被NaOH溶液腐蚀，样品表面残余的物相为深色的SiC以及浅色的CrSi2.CrSi2连接成片，与SiC颗粒及结晶Si以界面方式连接。共晶析出的CrSi2存在偏析，在微观上并未达到均匀化，原因可能是Cr2C3添加量过大。由于CrSi2是共晶析出产物，而且Si过量，因此可以预期通过热处理将温度升至共晶点以上使CrSi2重熔，在熔融Si中充分扩散，冷却再结晶后得到细小且均匀分布的CrSi2，提高复相陶瓷的力学性能。

2.3材料力学性能

材料力学性能测试结果见表1.实验结果显示复相陶瓷的抗弯强度相比文报道SiC晶须增强反应烧结SiC最大抗弯强度值305MPa，提高不明显，推测是由于CrSi2分布不均，导致微观上复合材料局部存在较大的弹性模量差异，受载时引起应力集中，在界面处形成裂纹源从而造成材料失效。另一个可能原因是CrSi2弱化各相界面结合，引起材料抗弯强度降低。弹性模量略低于反应烧结SiC/Si的弹性模量。考虑到CrSi2弹性模量略高于多晶Si,侧面证实CrSi2引起界面弱化效应。断裂韧性高于文报道反应烧结高强SiC陶瓷实测值3.3MPa?m1/2，推测是因为界面结合弱化，促使裂纹扩展时偏转，增加使材料断裂所消耗能量；或是大片CrSi2连接起到阻碍裂纹扩展的效果。引起材料力学性能变化的确切原因需要通过对材料破坏行为的观测进一步确证。

3结论

综上所述：所制备的复相陶瓷在抗弯强度和弹性模量上略低，主要原因是CrSi2偏聚和弱化界面结合，但断裂韧性比文献报道的值略高。引起材料力学性能变化的因素尚需进一步确证。