碳颗粒和气孔对反应烧结碳化硅微观结构和性能的影响

发布时间：2018-03-04 17:49

本文选题：反应烧结碳化硅RBSC　切入点：颗粒尺寸　出处：《广东工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：反应烧结碳化硅陶瓷材料(Reaction Bonded Silicon Carbide Ceramics, RBSC)耐高温,热传导性高,耐磨性高而又抗氧化,因此在工业领域受到广泛应用。目前对于反应烧结碳化硅陶瓷的研究只着眼于不同的制备方法和成型工艺,对于研究制备过程中原材料的颗粒尺寸对反应烧结碳化硅性能的影响也只着眼于改变SiC粉体的颗粒尺寸,但对添加的碳粉和粘合剂对RBSC'性能的研究却很少。又由于制备方法的局限性,RBSC成品存在中气孔。微观结构对复合材料性能的影响不可忽略,而气孔又以多样化的形式存在于复合材料中,因此需要一种简单又精确地方法直观分析多相复合材料中添加物料的形状分布等对材料性能的影响。为进一步提高RBSC的性能,本课题对添加的碳粉体颗粒对RBSC性能和微观结构的影响展开了研究,以提高其性能和扩大其应用范围。使用FEM (Finite Elements Methods)软件"Palmyra"对复合材料内存的气孔进行模拟仿真,用一种数字化的方法来计算复合材料中多相材料混合后所带来的性能的变化。论文主要研究内容如下：1.用干压成型法制备RBSC。使用4种不同颗粒尺寸的碳粉各自进行配方。第5种配方不含碳粉,只包含SiC粉和酚醛树脂。每种配方中C粉、SiC粉和酚醛树脂粘合剂的体积分数都设定为19%、70%、11%,以研究不同C颗粒对RBSC机械性能和微观结构的影响。实验共设计了两组方案,方案2相对于方案1在渗硅过程中碳盒厚度减小50%、Si粉量增至2.5倍。进行性能测试包括密度测试,三点弯曲测试以获得材料的杨氏模量和弯曲应力,进行显微测试以观察微观结构,XRD实验进行物相检测,SEM进行断口观察。2.比较5种配方制作出试样的密度、抗弯曲性能和微观结构。结果显示,配方中添加较大尺寸C粉制备出的试样的密度、弯曲应力和杨氏模量都比添加细微的C粉的试样低。研究RBSC显微组织,XRD衍射实验得出使用方案2制备的试样只含有a-SiC,β-.SiC和游离硅,没有残余C的存在,这说明方案2制备过程中C与Si完全反应。金相测试结果显示方案1制备出的试样含较多气孔,添加不同C粉导致制备出的RBSC气孔形状变化,构成的微观结构变化。3.使用Monte Carol法在FEM软件Palmyra中进行模拟仿真来研究材料内气的形状,大小和分布对材料抗弯曲强度的影响。研究参数包括横纵比(aspect ratio)分别等于0.2(扁圆形)、1(圆形)和5(偏长型)时,单形状和多种形状气孔占体积分数变化对抗弯曲性能的影响和气孔相对大小变化对材料的影响。研究发现,偏长形气孔存在可使碳化硅材料的抗弯曲能力高于材料内只含圆球状气孔的情况,又好于只含扁圆形气孔的情况。当仿真模型中只含有同种形状气孔时,材料抗弯曲性能随气孔相对模拟单元长度尺寸的减小而增大,但相对尺寸在一定范围内杨氏模量的最小值可达最大值的99.5%。同一仿真模型中若含有形状相同但大小不同的气孔,在大多数情况下可获得更高的抗弯曲能力,但也有出现降低的情况,需继续研究。在气体体积分数不变的情况下,材料内出现的长形气孔越多,材料的性能越高。4.分析比较实验结果与仿真结果,并找出导致差异的原因。发现虽然长形气孔比其他形状的气孔获得的性能高,但实际情况中长形气孔的颗粒尺寸较大,出现渗硅阻塞。仿真过程中并没有考虑游离硅的影响和气孔率的一致性,导致仿真和实验结果偏差。
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【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1

【参考文献】