高热导率SiC陶瓷材料制备及应用研究

发布时间：2018-11-07 17:21

【摘要】：能源和环境是制约人类社会可持续发展的两大关键问题。陶瓷换热器能够显著提高能源利用效率,降低能源消耗,减少污染排放,在化工、冶金、石油和电力等领域具有广阔的应用前景。碳化硅(Silicon Carbide, SiC)陶瓷具有热导率高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损和化学稳定性好等优点,被认为是制备陶瓷换热器,特别是用于高温、强酸碱腐蚀及强磨损等恶劣工况换热器较为理想的材料。本论文的目的是通过配方组成和制备工艺的研究提高SiC陶瓷的热导率,探讨SiC陶瓷的导热机理,解决换热器设计和制造中的关键技术难题,促进SiC陶瓷换热器的工业化应用。本论文分别采用反应烧结、无压液相烧结和无压固相烧结方法制备SiC陶瓷材料,研究了配方组成、烧结制度等对材料力学性能、电导率、热导率及微观结构的影响,优化了制备高热导率SiC陶瓷的工艺参数,探讨了SiC陶瓷导热机理。在此基础上,依据实际工况,创新结构设计,制备了SiC陶瓷换热器,并成功用于冷轧板生产线水蒸气与浓盐酸的热交换。主要研究结论如下：1)采用正交试验方法研究了SiC微粉颗粒级配、碳(C)含量和成型压力对反应结合SiC(RBSC)陶瓷性能、物相组成及微观结构的影响。研究结果表明：C含量和成型压力对RBSC陶瓷性能有较大影响；随着C含量和成型压力的增加,RBSC陶瓷试样中游离si含量逐渐降低,密度、热导率、弯曲强度、断裂韧性和显微硬度逐渐增大。但是,当C含量和成型压力超过一定数值时,反而导致渗Si困难,试样内出现残留C,使力学性能和热导率降低。当平均粒径为7.0和13.0μm的SiC微粉的质量比6：4,C含量20wt.%,成型压力90 MPa时,1650℃保温120 min烧结制得的RBSC试样密度最大达到3.13 g/cm3,热导率最大为124W/(m·K),显微硬度为27 GPa,弯曲强度为425 MPa,断裂韧性为5.5MPa·m1/2。2)以Al2O3-Y2O3为基础烧结助剂,并分别加入La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb203组成复合氧化物助剂,研究了烧结助剂组成及含量、烧结温度和气氛对无压液相烧结SiC陶瓷性能的影响。研究结果表明：氩气气氛下制得试样的性能比氮气更好；氩气气氛下,当Al2O3-Y2O3(摩尔比5：3)添加量相同时,在1750～1900℃范围内,随着烧结温度提高,试样的相对密度、热导率、弯曲强度、断裂韧性和显微硬度均呈现先增大后减小的趋势。当添加8wt.%的Al2O3-Y2O3为液相助剂,烧结温度1850℃时,相对密度最大达到97.47%,热导率最大达到72 W/(m-K),弯曲强度和断裂韧性最大分别为576 MPa和7.6MPa·m1。在Al2O3-Y2O3中分别加入少量La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3组成复合氧化物助剂,没有对试样的热导率产生有利影响。3)研究了C源及含量、B4C含量和烧结制度对无压固相烧结SiC(SCBC)陶瓷试样性能、物相组成及微观结构的影响。研究结果表明：以液体酚醛树脂(PF)为C源的试样性能比碳黑的更好,在2.0～12.0wt.%范围内,随着C含量增加,试样弯曲强度、断裂韧性、显微硬度和热导率均呈现先增大后减小的趋势；随B4C含量增加试样性能有相同的变化趋势；提高烧结温度或延长保温时间均有利于提高试样力学性能和热导率,但烧结温度过高或保温时间过长反而导致力学性能和热导率的降低。优化的SCBC陶瓷配方和制备工艺为：8wt.%的PF, 1wt.%的B4C,2100℃保温60 min,氩气气氛无压固相烧结。所制备材料的相对密度99.05%,维氏显微硬度27 GPa,弯曲强度423 MPa,断裂韧性4.6MPa·m1/2,热导率113W/(m·K)。4)在优化的SCBC陶瓷配方和工艺基础上加入石墨烯,研究了石墨烯加入量对试样性能的影响。研究结果表明：在0-5.0wt.%范围内,随着石墨烯加入量的增加,试样的相对密度逐渐降低,电导率逐渐增大,热导率、弯曲强度、断裂韧性和显微硬度均呈现先增大后减小的趋势。当石墨烯含量为2.0wt.%时,热导率达到最大值145W/(m·K),比不含石墨烯的试样提高了27%。分别研究了添加AlN和TiB2对SCBC陶瓷性能的影响。研究结果表明：虽然A1N的热导率远高于TiB2,而且添加A1N试样的致密度更高,但是,在烧结过程中,由于AlN与SiC反应形成低热导率的固溶体,而TiB2与SiC不反应,使得添加A1N试样的热导率反而低于添加TiB2的试样。5)探讨了SiC陶瓷导热机理,研究了SiC陶瓷热导率的影响因素。SiC陶瓷主要依靠晶格振动的格波导热,即声子导热。基于对SiC陶瓷热导率影响因素的分析,建立了“声子势垒”数理模型,并用该模型定性地描述了不同SiC陶瓷的导热过程。气孔、杂质和晶界等缺陷都可以视作声子导热的“势垒”,声子在传输过程中越过“势垒”导致能量降低、数量减少,“势垒”高度越大,对热导率的影响也越大。RBSC陶瓷中,声子导热需要越过游离硅形成的“声子势垒”,游离硅含量越高,“势垒”高度越大,对热导率影响越大；液相烧结SiC陶瓷中,声子导热需要越过晶界液相形成的“声子势垒”,液相组成越复杂,含量越高,“势垒”高度越大,对热导率影响越大；SCBC陶瓷中,声子导热需要越过B4C和C杂质形成的“声子势垒”,并受到气孔形成的“声子势垒”的影响；添加石墨烯的SCBCG陶瓷的导热过程与SCBC陶瓷导热过程相似,但石墨烯高的热导率和电导率相当于“拓宽”了声子传输的通道,因而提高了SCBCG陶瓷的热导率。6)通过对SiC陶瓷换热管制备工艺的研究,制备了SiC陶瓷换热管；通过换热管壁厚对换热效果影响及密封方式的研究,确定采用同心圆扇形辐射分布的排管方式,以壁厚为3.5 mm、内径为18 mm的反应结合SiC陶瓷换热管制备了用于加热浓盐酸的换热器,分别采用“台阶孔-聚四氟乙烯橡胶套”相结合的密封结构和弹簧膨胀补偿作用解决了SiC陶瓷管与陶瓷板之间、SiC陶瓷换热器内芯与金属外壳之间的密封难题。该换热器成功用于冷轧板生产线,应用结果表明：相同条件下,SiC陶瓷换热器可将盐酸加热温度由61℃提高到85℃,冷流体温度效率比原来的石墨换热器提高了77%。本文研究了反应结合SiC陶瓷、无压液相烧结SiC陶瓷和无压固相烧结SiC陶瓷热导率的影响因素,探讨了SiC陶瓷材料的导热机理,制备了节能效果显著的SiC陶瓷换热器,为高热效率换热器工业化生产提供了有价值的理论指导,对于促进我国工业节能和环境保护具有积极意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.75

【参考文献】