引用本文
陆有军, 王燕民, 潘志东, 黄振坤, 吴澜尔. 纳米碳含量对碳/碳化硅陶瓷的机械加工性及与玻璃熔体润湿性的影响. 无机材料学报, 2014, 29(4): 429-432
LU You-Jun, WANG Yan-Min, PAN Zhi-Dong, HUANG Zhen-Kun, WU Lan-Er. Effect of Carbon Nanoparticle Content on Machinability and Wettability of Carbon/Silicon Carbide Ceramics. Journal of Inorganic Materials, 2014, 29(4): 429-432  
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纳米碳含量对碳/碳化硅陶瓷的机械加工性及与玻璃熔体润湿性的影响
陆有军1,2, 王燕民1, 潘志东1, 黄振坤2, 吴澜尔2
1. 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广州510640
2. 北方民族大学 材料科学与工程学院, 银川750021
王燕民, 教授. E-mail:wangym@scut.edu.cn

陆有军(1976-), 男, 副教授, 博士研究生. E-mail:youjunlu518@hotmail.com

基金:国家自然科学基金(50962001); 中科院‘西部之光’人才培养计划项目; 北方民族大学国基金培育项目;
摘要

采用无压烧结法制备纳米碳颗粒(nano-Cp)改性碳化硅陶瓷 (Cp/SiC), 研究了不同纳米碳含量对Cp/SiC陶瓷的机械加工性及与玻璃熔体润湿性的影响。通过XRD和SEM对Cp/SiC陶瓷进行物相和显微分析。研究结果表明: 随着可加工相纳米碳含量的增加, Cp/SiC陶瓷的机械加工性能得到明显改善。根据陶瓷材料的机械加工指数(M)综合评价,M15=0.921>M25=0.547>M5=0.056>M0=0.021(下标数字代表碳含量), 且15wt%Cp/SiC中的碳颗粒预先被氧化, 抑制了Cp/SiC陶瓷基体表面形成SiO2, 阻止了Cp/SiC陶瓷与玻璃熔体的润湿, 使夹具材料与玻璃熔体不发生粘接, 适合用作玻璃夹具材料。

关键词: 碳/碳化硅复合陶瓷; 机械加工性; 润湿性
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)04-0429-04
Effect of Carbon Nanoparticle Content on Machinability and Wettability of Carbon/Silicon Carbide Ceramics
LU You-Jun1,2, WANG Yan-Min1, PAN Zhi-Dong1, HUANG Zhen-Kun2, WU Lan-Er2
1.College of Materials Science & Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
2. College of Materials Science & Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, China
Fund:National Natural Science Foundation of China (50962001); ‘The Western Light’ of CAS for the Talent Cultivation Project; The Breeding Programs of NSFC of Beifang University of Nationalities;
Abstract

Nanoparticle(nano-Cp)/silicon carbide(SiC) ceramics (Cp/SiC) were preparedvia pressureless sintering. Effect of nano-Cp content on machinability and wettability of the Cp/SiC ceramics as a glass clamp was investigated. Phase composition and morphology of the ceramics were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM), respectively. Results show that the machinability of the ceramics increases with the increase of the nano-Cp content. According to the evaluation of the machinability index(M) for ceramic materials,M15 = 0.921(for 15wt%Cp/SiC composite)>M25=0.547(for 25wt%Cp/SiC composite)>M5=0.056(for 5wt%Cp/SiC composite)>M0=0.021(for SiC ceramic). The pretreatment by oxidation of Cp in the ceramics could depress the formation of SiO2 film on the surface of SiC, thus preventing the wettability between the ceramics and glass smelt and hindering the splice of the fixture material with glass smelt.

Keyword: Cp/SiC ceramics; machinability; wettability

碳化硅陶瓷具有高化学稳定性、高热传导、低热膨胀、高硬度和高抗热震性, 是一种应用广泛的材料[ 1, 2, 3]。但碳化硅是典型的硬脆材料, 通常选择昂贵的金刚石工具加工, 导致生产成本偏高, 限制了它的应用, 因此降低加工成本和提高SiC陶瓷的机械加工性, 是该陶瓷推广应用急需解决的问题之一[ 4, 5]。一般提高陶瓷材料机械加工性的同时强度会明显下降, 譬如像在Si3N4中加入适量的可加工相BN, 虽可以提高Si3N4陶瓷的机械加工性, 但强度却显著降低[ 6]。 应用于玻璃熔炼夹具时, SiC陶瓷需要具有一定的强度和良好的机械加工性能, 本工作通过引入第二相纳米碳颗粒来提高其机械加工性, 并对Cp/SiC陶瓷与玻璃熔体的润湿性能进行研究。

1 实验方法

实验采用纳米碳黑(nano-Cp, 型号为N330, 纯度≥99%, d50=91 nm), 微米硅粉(Si, 纯度≥99%, d50=1.592 μm)。采用机械力化学法原位合成纳米碳/碳化硅复合粉体[ 7], 然后将不同纳米碳含量的复合粉体分别与碳化硼(B4C)、油酸、分散剂等烧结助剂按一定配比混合后, 置于聚氨酯罐内, 以聚氨酯钢球(球料比为2:1)为磨介, 通过行星式球磨机混合6 h后, 制成4种不同纳米碳含量的均匀粉体浆料。再经喷雾干燥造粒, 过筛后分别压制成50 mm× 50 mm×10 mm方块, 于2100℃下无压烧结30 min后得到1#(SiC)、2#(5wt%Cp/SiC)、3#(15wt%Cp/SiC)及4# (25wt%Cp/SiC)陶瓷样品。

采用力学性能试验机(CMT5305, 深圳新三思)测量陶瓷样品的断裂韧性; 使用显微硬度计(432SVD+LEVEL2, 美国沃波特)测其硬度; 采用X射线衍射仪(XRD-6000, 日本岛津)进行物相分析; 采用场发射扫描电子显微镜(SEM, JSM7500F, 日本电子株式会社(JEOL))观察陶瓷样品的显微结构; 采用φ5 mm普通合金钢钻头进行钻孔实验。

2 结果与讨论
2.1 Cp/SiC陶瓷的机械加工性能

2.1.1 纳米碳含量对Cp/SiC陶瓷机械加工速度的影响

不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷的机械加工速度( V)值如表1所示, 由表1可以看出, 随着纳米Cp含量增加, V逐渐增大, 即 V0< V5< V15< V25(下标数字表示纳米碳含量), 陶瓷越易机械加工。图1是不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷钻孔形貌。由图1可看出, 纳米Cp含量少于5wt%时, 陶瓷无法钻孔, 如图1(a)、(b)所示; 纳米Cp含量增加到15wt%时, Cp/SiC陶瓷容易钻孔, 且孔内表面光滑, 没有崩裂现象, 如图1(c)所示; 当纳米Cp含量过大(25wt%), 陶瓷虽然易于钻孔, 但孔外围出现毛边(如图1(d)所示), 影响了加工精度。这是由于纳米碳较少时, 基体晶界处没有足够的弱界面, 陶瓷难于机械加工, 如图2(a)、(b)所示; 随着纳米Cp含量的增加, 位于晶界处的可加工相逐渐增多, 改善了陶瓷的机械加工性能, 如图2(c)所示; 继续提高纳米Cp含量, 陶瓷虽易机械加工, 但由于纳米碳相颗粒的团聚, 弱界面发生连接, 形成网络孔洞结构, 陶瓷致密度明显降低, 如图2(d)所示。这与文献[ 6, 8]的结论吻合。

表1 陶瓷加工参数 Table1 Parameters of ceramic processing

图1 不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷的钻孔形貌Fig. 1 Drilling performance of Cp/SiC ceramics with various carbon contents

图2 不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷的断口SEM照片Fig. 2 Fractural SEM images of Cp/SiC ceramics with various carbon contents

2.1.2 纳米碳含量对机械加工性能参数的影响

表2中列出了不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷的断裂韧性 KIC、硬度 HV 的实测值及由公式(1)～(3)[ 9, 10]计算得出的机械加工指数( M)、脆性指数( B)及机械加工性参数( n)的值。其中, M值越大, 机械加工性越好; B值越小, 机械加工性越好, 二者互为倒数关系。

(1)

(2)

(3)

由表2可以看出, M15> M25> M5> M0, B15< B25< B5< B0, n15> n25> n5> n0( M、 B、 n的下标数字代表碳含量)。文献[10]指出, n为负值, 表示该材料为脆性断裂, 加工难度大; n为正值, 表示该材料可机械加工, 且 n值越大, 说明材料的机械加工性越好。综合以上分析, 纳米碳含量为15wt%时, Cp/SiC陶瓷的机械加工性能较好。

表2 SiC陶瓷机械加工的性能参数 Table 2 Machinable parameters of Cp/SiC ceramic composites
2.2 纳米碳含量对Cp/SiC陶瓷与玻璃熔体润湿性的影响

依据文献[ 11]的评价方法, 将玻璃珠分别置于SiC、5wt%Cp/SiC、15wt%Cp/SiC和25wt%Cp/SiC陶瓷表面, 经马弗炉1000℃下熔炼2 h, 冷却后玻璃珠与陶瓷的润湿情况如图3所示。SiC及5wt% Cp/SiC陶瓷表面的玻璃熔体冷却后牢固地与陶瓷材料粘接在一起, 说明二者的润湿性能较好。而15wt%Cp/ SiC与25wt%Cp/SiC陶瓷表面的玻璃熔体很容易分离, 说明润湿性能差。这可归因于在高温下Cp/SiC陶瓷表面发生的氧化, 即纯的SiC在1000℃高温氧化时, 发生的是被动氧化反应[ 12, 13](如式(4)), 所形成的SiO2膜与熔融的玻璃体有良好的润湿性, 而添加一定纳米碳颗粒的Cp/SiC陶瓷, 由于纳米Cp先于SiC材料发生氧化反应(如式(5)), 抑制了基体材料被氧化。纯SiC和15wt%Cp/SiC在1000℃下煅烧2 h后, 样品的XRD图谱如图4所示。由图4可知, 纯SiC的XRD曲线上有SiO2峰, 而15wt% Cp/SiC的XRD图谱上没有SiO2峰, 这与上述分析相符。因此, 为保证玻璃熔体不与Cp/SiC陶瓷材料表面发生粘接, 需加入适量的纳米Cp相来抑制SiC基体被氧化生成SiO2薄膜, 使其与玻璃熔体不润湿。

(4)

(5)

图3 不同纳米碳含量Cp/SiC陶瓷在1000℃氧化环境下与玻璃熔体的润湿照片Fig. 3 Photographs of the adhesion of melted glass melt on the surfaces of SiC (a), 5wt%Cp/SiC (b), 15wt%Cp/SiC (c), 25wt%Cp/SiC (d)

图4 SiC和15wt% Cp/SiC 在1000℃下煅烧 2 h样品的XRD 图谱Fig. 4 XRD patterns of SiC and 15wt% Cp/SiC ceramics after calcined at 1000℃ for 2 h

3 结论

1) 随着纳米碳含量从0~25wt%逐渐增加, 可加工相纳米Cp均匀分布在SiC陶瓷晶界处, SiC陶瓷机械加工性能得到了改善, 但纳米碳含量超过15wt%时, 材料内部形成了网络孔洞结构, 导致材料致密度急剧降低。

2) 纳米碳含量为15wt%时, Cp/SiC陶瓷的机械加工指数 M达极大值 Mmax=0.921, 脆性指数 B达极小值 Bmin=1.09, 此时Cp/SiC陶瓷的机械加工性参数 n=+0.34亦为极大值, 纳米碳颗粒均匀地分布在晶界处, 具有优异的机械加工性能。

3) 纳米Cp的存在抑制了SiC陶瓷基体的氧化, 阻止了SiO2膜的形成, 降低了其与玻璃熔体的润湿性, 使其有望用于玻璃夹具材料。

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