1 試樣制備

1.1 試樣制備以鱗片狀石墨 (1～1.5mm) ，碳化硅 (0～0.5mm) ，硅粉，高嶺土 (0.088mm) 為原料按表 1 配方制備試樣。

按照配方把原料充分混勻后加入 10% 的水，再次混勻后密封困料 24 h 。 然后取不同配方的濕料40g 在 WTJ69-FLE 型號(hào)的壓力機(jī)上用直徑 36mm的模具壓制成小圓塊，三個(gè)配方各 15 個(gè)樣塊，自然干燥 24h 后，放入干燥箱于 100℃ 再干燥 24h 后，分別在1050 、 1100 、 1150 和 1200℃ 溫度下用 ZT-50-20Y 型真空氣氛爐對(duì)樣品進(jìn)行燒成。

1.2 性能檢測(cè)

采用阿基米德排水法， 按 GB/T2997-2000 規(guī)定測(cè)定試樣的體積密度和氣孔率；采用稱重法，分別測(cè)定試樣在 700 、 800 、 900℃ 下的失重率；采用 Quanta200 型號(hào)的掃描電子顯微鏡分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 碳化硅含量對(duì)試樣體積密度和氣孔率的影響

試樣的體積密度和氣孔率的測(cè)定是以水作為浸漬液。 由表 2 可知，隨碳化硅含量的增加，試樣的體積密度逐漸增大， 而氣孔率在依次減小。 這是因?yàn)樘蓟璧拿芏仁?3.2g/cm 3 ， 石墨的密度是 2.62g/cm 3[10] ，當(dāng)實(shí)驗(yàn)制得相同質(zhì)量的試樣， 隨著碳化硅含量的增大， 試樣的總體積在減小， 而其體積密度會(huì)逐漸增大。因此試樣的體積密度隨碳化硅含量增加而增大，而氣孔率在依次減小。

2.2 石墨坩堝抗氧化性的影響因素

研究表明，試樣的抗氧化性可以用失重率表示 [11] ，抗氧化性與失重率成反比。 因此下面通過研究碳化硅含量、 氧化溫度和燒成溫度對(duì)失重率的影響來反應(yīng)它們對(duì)石墨坩堝抗氧化性的影響。

2.2.1 碳化硅含量對(duì)試樣失重率的影響

圖 1 是 1100℃ 燒成試樣在不同氧化溫度下的失重率，可知隨著碳化硅含量增加，失重率在逐漸減小，試樣的抗氧化性增大。這是因?yàn)橐环矫?SiC 具有很好的抗氧化性， 首先 SiC 與 CO 反應(yīng)生成 SiO 氣體和固體碳，碳沉積在 SiC 表面上，然后 SiO 氣體向周圍擴(kuò)散與 CO 反應(yīng)生成 SiO 2 和 C ， 這些反應(yīng)使CO 還原成 C ，并且體積膨脹，膨脹的體積將阻塞試樣中的氣孔，使得氧氣無法進(jìn)入試樣內(nèi)部，從而減小試樣的失重率，提高其抗氧化性。因此隨著碳化硅含量增大，試樣的抗氧化性能增大；另一方面坩堝中石墨是鱗片狀，

與氧氣的接觸面積很大，其氧化速度很快，因此試驗(yàn)中，隨著石墨含量的降低，也會(huì)促進(jìn)石墨坩堝抗氧化性能。

2.2.2 氧化溫度對(duì)試樣失重率的影響

圖 2 為 1100℃ 燒成的試樣不同氧化溫度下氧化 6h 的失重率，可以看出試樣隨著氧化溫度升高，失重率都在逐漸增大。一般認(rèn)為，炭材料的氧化反應(yīng)經(jīng)過以下步驟： ① 反應(yīng)氣體向炭材料表面?zhèn)鬟f； ② 反應(yīng)氣體在材料表面被吸附， 并通過炭材料本身的孔隙向材料內(nèi)部擴(kuò)散； ③ 以活性點(diǎn)為反應(yīng)中心發(fā)生氧化反應(yīng)； ④ 生成的氣體 CO 、 CO 2 等較終從材料表面脫附出去。 所以當(dāng)石墨坩堝的溫度在 700～900℃ 的溫度下， 氧化速率主要由石墨表面的活性部位數(shù)量來決定 [12] ，制備石墨坩堝時(shí)，石墨是均勻分散在坩堝內(nèi)部，所以氧化反應(yīng)在坩堝內(nèi)部均勻進(jìn)行。隨著氧化溫度的增大，石墨表面的活性部位數(shù)量越來越多，因此試樣的氧化性能增強(qiáng)，導(dǎo)致其失重率增大。

2.2.3 氧化時(shí)間對(duì)試樣失重率的影響

圖 3 為 700℃ 條件下不同的氧化時(shí)間對(duì)試樣 B失重率的影響， 各種燒成溫度下的石墨坩堝試樣失重率都逐漸增大。 反應(yīng)機(jī)理是由于 SiC 和 C 的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不匹配 ，高溫煅燒后基體上存在許多微裂紋。 在 C/SiC 的使用過程中，這些微裂紋會(huì)成為氧氣的傳輸通道。 由于試樣的致密度較低， 不能有效阻擋氧氣擴(kuò)散，因此隨著時(shí)間的推移，會(huì)有更多的氧氣通過微裂紋的通道進(jìn)入試樣內(nèi)部與石墨和碳化硅反應(yīng)，從而使得樣品的失重率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

在同一氧化時(shí)間內(nèi)，隨著燒成溫度從 1050℃ 到1150℃ 依次上升，試樣的失重率逐漸在降低。而燒成溫度在 1150℃ 和 1200℃ 的試樣失重率變化不大，這是因?yàn)?1050～1150℃ 燒成的試樣 B 的微裂紋很多，

加致密，燒結(jié)致密性更好，這可能是由于 SiC 在高溫下已經(jīng)被氧化，形成了玻璃相的 SiO 2 ，該相發(fā)生流動(dòng)填充了試樣的氣孔，并且隨著 SiC 含量的增加，液相形成的程度也將增大。 因此試樣中碳化硅含量的增加，可以增大試樣的致密性。

由圖 5 可知不同燒成溫度的試樣致密性也不相同， 1200℃ 要比 1100℃ 燒成的試樣致密性好很多。因?yàn)樵?1200℃ 高溫下材料已經(jīng)熔融，因此接觸面上出現(xiàn)更多的液相熔合，形成連續(xù)的燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)使制備坩堝的所有材料聯(lián)成一個(gè)整體， 從而提高了試樣的致密性。

3 結(jié)論

隨著碳化硅含量增加，試樣體積密度增大，氣孔率變小。 ( 碳化硅含量、 氧化溫度和氧化時(shí)間對(duì)石墨坩堝試樣的失重率有很大的影響。 隨著碳化硅含量增加，試樣失重率逐漸減小；氧化溫度越高，試樣氧化得越快；氧化時(shí)間越長(zhǎng)，試樣的失重率越大，降低其抗氧化性。

通過石墨坩堝試樣的顯微結(jié)構(gòu)分析得出，碳化硅含量的增加，促進(jìn)試樣的致密；而燒成溫度的增加在一定范圍內(nèi)也增強(qiáng)試樣的致密性。

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