資訊動(dòng)態(tài)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
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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