基于复合碳源的多步反应烧结法制备低残硅的碳化硅陶瓷材料及性能

Silicon carbide ceramics with high strength, high modulus and high heat resistance and corrosion resistance can play an important role in high temperature and extreme environmental conditions, and reaction sintering of the silicon carbide ceramics has the advantages of low temperature and net shape production. On the basis of previous researches, multi carbon source and multi step reaction for the preparation of silicon carbide ceramic material is proposed. With the carbon source with different reaction activity as raw material, silicon carbide - carbon -silicon composite materials with controllable microstructure were firstly fabricated by reaction sintering, and than silicon carbide ceramics with low residual silicon is obtained through diffusion reaction between residual carbon and residual silicon aroused by high temperature treatment. Through the research and design of content and proportion of the carbon source, and microstructure, influence the reaction activity of the carbon source on the microstructure and properties of reaction bonded silicon carbide is obtained. Through study on reaction of silicon and carbon related to the reaction sintering of carbon silicon, diffusion reaction mechanism at high temperature of silicon and carbon is proposed. Then further optimization of material composition, microstructure and properties will be performed according to the different forming process. The fabrication of the silicon carbide ceramic materials of very low residual silicon and high density through reaction sintering is of practical valuable for the enlarging application field of the materials, and provides a new idea for further research on ceramic materials. It not only has academic value, but also has important practical significance in piratical applications, such as application at high temperature and in corrosion environments.

碳化硅陶瓷具有高强度、高弹性模量和高耐热耐腐蚀性，可在高温及极端环境下发挥重要作用，反应烧结制备碳化硅陶瓷具有低温和净尺寸的优势。在前期研究的基础上，本课题提出通过多级碳源的多步反应制备碳化硅陶瓷材料的思想,拟通过具有不同的反应活性的碳源为原料，首先通过反应烧结制备结构和组织可控的碳化硅-碳-硅复合材料，进行高温处理引发残碳-残硅之间的扩散反应得到低残硅的碳化硅陶瓷。通过对碳源的添加量、比例和组织的设计和研究，获得碳源的反应活性对反应烧结碳化硅的组织性能影响。通过碳化硅陶瓷的反应烧结相关的硅与碳反应规律的研究，提出碳与硅在高温的扩散反应机理。进一步针对不同的成形工艺对材料成分、组织和性能进行优化。通过反应烧结制备极低残硅高密度碳化硅陶瓷为进一步深化陶瓷材料的研究提供了新思路，不但具有学术价值，而且对于拓宽材料的应用领域具有重要的现实意义，在实际高温、腐蚀等的应用场合也具有实用价值。

反应烧结碳化硅具有耐高温、耐磨损、抗氧化、抗热震以及高硬度、高热导率等优异性能，以及烧结工艺简单、烧结时间短、净尺寸烧结等优点，具有广阔的应用前景。但是由于反应烧结碳化硅中含有一定量的游离硅，限制了反应烧结碳化硅的使用温度,降低了硬度等力学性能。本项目以降低反应烧结碳化硅中残留硅，大幅度提升材料的性能和使用范围为背景，提出和开展了多碳源的多步反应进行反应烧结的思路和路线。获得的主要结果有：1)选定不同的尺寸、结构以及结晶度的碳材料，针对单一和复合碳源进行渗硅评价反应活性的评价，在高温处理后探讨二次反应的组织结构变化与碳活性、碳源比例等因素之间的关系，全面把握不同碳源下碳硅反应的过程和机理。2)研究第一步渗硅反应工艺对材料组织和性能的影响，添加惰性碳源比例对二次反应烧结碳化硅组织和性能的影响，添加碳化硅粒径的影响等，对不同活性的碳源与多级反应烧结制备碳化硅陶瓷工艺的优化，揭示了惰性碳源对高碳化硅含量的陶瓷材料的作用和机制。3)采用石墨化的微球炭作为缓释碳源，通过研究设计碳源的含量和比例，以及微观结构，得出了影响反应结合碳化硅微观结构和性能的因素，研究温度和保温时间对其相组成、微观结构和力学性能的影响，获得了两步烧结的密度和微观组织、相含量表征。4)改变素坯成型压力、惰性碳体积含量调整素坯碳密度，通过复合碳源两步法反应烧结制备碳化硅，研究烧结温度对两步法反应烧结制备得到的反应烧结碳化硅的影响，分析烧结温度对其组织、密度、残硅残碳量及其力学性能的影响，获得了残硅残碳含量的协同降低和碳化硅含量的改善，以及抗弯强度、硬度、导热率的协同改善。.通过研究阐明了碳化硅反应烧结中的二次反应对残硅残碳量的变化规律，完成了通过多步反应实现高碳化硅含量的陶瓷材料的制备技术，首次实现了高性能的碳化硅陶瓷材料的反应制备，丰富了碳化硅材料的制备的制备方法，预期在多种场合下可以得到广泛的应用。