聚乙烯醇對SiC泥坯料性能的影響

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(1.中原工學院，鄭州 450007；2.鄭州航空工業(yè)管理學院，鄭州 450015；3.鄭州華碩精密陶瓷有限公司，鄭州 450001)

碳化硅陶瓷材料因具有密度小、彈性模量大、熱導率高、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震和氧化性能良好，以及高溫強度適中、耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點而獲得廣泛的研究和應(yīng)用[1-2].其應(yīng)用領(lǐng)域包括：①可用于高溫結(jié)構(gòu)材料，如發(fā)動機部件及氣輪機葉片、窯爐滾杠、耐火材料等；②由于它的高彈性模量和低密度決定了它有很高的比剛度，可用于航空和航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料；③由于它的熱膨脹系數(shù)可以與Si、GaAs相匹配，且有半導體特性，因此可用作電子封裝材料和制作電子元件；④由于碳和硅具有較低的原子序數(shù)，碳化硅陶瓷還可用作原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料.

對于碳化硅，目前已開發(fā)出來的成型技術(shù)有：模壓成型、等靜壓成型、擠壓成型、注射成型和流延成型[3].其中，擠壓成型因使用的粉料尺寸范圍寬而備受關(guān)注.國外一些大公司已成熟應(yīng)用高效連續(xù)擠壓技術(shù)進行生產(chǎn)，然而目前國內(nèi)該技術(shù)尚未穩(wěn)定和成熟.隨著我國各相關(guān)領(lǐng)域進一步開放，加快開發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅產(chǎn)品制備技術(shù)和提高我國企業(yè)的綜合競爭能力是當務(wù)之急.

目前，碳化硅由于成本問題使其應(yīng)用受到很大的限制.降低陶瓷材料成本的研究開發(fā)將是21世紀陶瓷材料領(lǐng)域面臨的最艱巨的任務(wù).其中，連續(xù)化、自動化高的擠壓成型工藝將是解決這一問題的有力手段之一.

擠出料的塑性決定了工藝的可靠性和燒結(jié)制品的品質(zhì).本文以聚乙烯醇為塑性劑對擠壓碳化硅坯料的一些性能進行了研究，并測試了烘干泥料的氣孔率和密度等參數(shù)，從而為碳化硅擠壓成型工藝的控制提供技術(shù)基礎(chǔ).

1 實驗材料及實驗方法

實驗用的碳化硅粉平均粒度為21.380 μm，其粒度分布見圖1.塑性劑為聚乙烯醇(S)，和水混合在一起，水用W表示.聚乙烯醇(S)所占重量比例分別為3%、5%、10%，水(W)所占重量比分別為30%、25%、25%，陳腐時間分別為24 h、48 h、72 h.

實驗流程如下：

稱量SiC粉→加入塑性劑和水的混合物→和泥→陳腐→測塑性→擠壓成型→烘干→測量樣品干重→將樣品放入沸水中煮1 h→測量其濕重和水重→算出密度和氣孔率.

利用MS-2000E激光粒度分析儀進行原料粒度分析；利用ACS-15 A型電子秤進行物料稱重；利用自制針管式裝置進行擠壓成型(擠壓壓力約3～5 MPa)；利用WX-Ⅱ光電液塑限聯(lián)合測定儀進行泥料塑性測試，同時利用模擬金屬拉伸試驗的方法進行泥坯料的拉伸，并計算相對伸長率以驗證其塑性.泥料成型之后放在烘干設(shè)備中在110℃下進行8 h的烘干，為之后測定氣孔率和密度做準備.利用水煮法進行密度和氣孔率測試，并用托盤天平進行稱重.

圖1 實驗用SiC粉的粒度分布圖

2 實驗結(jié)果及分析

將陳腐[4]時間相同、聚乙烯醇和水不同配比下獲得的樣品，進行塑限和伸長率測試，將結(jié)果繪制在同一張圖中，選擇陳腐時間分別為24 h、48 h、72 h，如圖2—圖4所示.將塑限和伸長率較佳的試樣進行對比，列于圖5中，選出塑限和伸長率最佳時的參數(shù)為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時間24 h.

將SiC泥料在塑性劑聚乙烯醇(S)作用下，不同陳腐時間的樣品的氣孔率和密度做對比，從3個陳腐時間中選出較好的配方，如圖6—圖8所示.將圖中的數(shù)據(jù)再次進行對比，分別得到氣孔率最低且密度最高的塑性劑配方，如圖9所示.從中選出最佳配方為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時間24 h.再將圖4和圖8進行對比，兩者的最佳配方是一致的.

圖2 泥料陳腐24 h時塑限、伸長率對比圖

圖3 泥料陳腐48 h時塑限、伸長率對比圖

圖4 泥料陳腐72 h時塑限、伸長率對比圖

圖5 塑限、伸長率對比圖

圖6 泥料陳腐24 h時氣孔率和密度對比圖

圖7 泥料陳腐48 h時氣孔率和密度對比圖

圖8 泥料陳腐72 h時氣孔率和密度對比圖

圖9 氣孔率和密度對比圖

3 結(jié) 語

以聚乙烯醇(S)為塑性劑，探討了使SiC泥料獲得最佳伸長率和塑性指標的塑性劑的最佳組成為S3%、W30%、24 h，即聚乙烯醇含量3%、水含量30%、陳腐時間24 h.實驗表明，伸長率和塑限指標的變化規(guī)律相同.此外，在該最佳塑性劑配方下，所得泥料的氣孔率最低，而生坯密度最高.

參考文獻：

[1] 李媛, 高積強. 陶瓷材料擠出成型工藝與理論研究進展[J]. 耐火材料,2004,38(4)：277-280.

[2] 郭曉明,閆永杰,陳健,等.擠出成型碳化硅陶瓷的力學性能和顯微結(jié)構(gòu)[J].無機材料學報,2009,24(6):1155-1158.

[3] 吉曉莉.擠出成型制備重結(jié)晶碳化硅熱端材料的研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[4] 李世斌. 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅擠壓成型、工藝及性能的研究[D].西安: 西安交通大學，2003.