重结晶碳化硅陶瓷材料的高温氧化.doc

·134· 《陶瓷工程增刊》 1999 年 11月重结晶碳化硅陶瓷材料的高温氧化吕振林高积强金志浩(西安交通大学材料科学与工程学院 西安 ·710049) 摘要研究了重结晶碳化硅的氧化规律及添加物对氧化行为的影响，结果表明：重结晶碳化硅的氧化遵循抛物线规律，氧化产物力晶态：． i07分别加 ^Aj和 z由：的试样氧化后， AI和 2r02 分别与 SiC氧化生成的 Si02 反应形成奠来石相和 ZrSiO 有利于阻止氧的扩散，降低碳化硅的氧化速度，提高重结晶碳化硅抗氧化能力 美键词碳化硅 掺； 高温氧化碳化硅陶瓷材料良好的耐高温、抗氧化能力及 相分析在 Rigaku 一 12型 X射线衍射仪上进行 高的高温强度，在高温领域作为结构材料得到了较广泛的应用但碳化硅材料的高温氧化，使其应用 2试验结果与分析受到一定的影响和限制为此，人们对其氧化过程和氧化机理进行了较深～的研究，研究了包括热压 2． 1重结晶碳化硅的显微组织 碳化硅、烧结碳化硅、硅 f{：碳化硅、单晶碳化硅和化 试验用重结晶碳化硅材料的显微组织如图 l 学气相沉积碳化硅的高温氧化以及添加剂对氧化 所示，可以看出其组织由单一的 d—SiC 和气孔组 的影响 II。

1，为碳化硅村料的高温应用以及防止和 成 (XRD 分析见图 2所示 )，气孔率 21． 56％加入 减缓氧化的不利影响提供了理论基础和指导但对 Al和 zr晚后，一部分 AJ固溶在碳化硅中，一部分 重结晶碳化材料的高温氧化行为研究却较少重结 以富铝相 (主要为 AI： 0， )存在于碳化硅粒子问； 晶碳化硅材料由单一碳化硅相和气孔组成，在高温 ZrO：则以富锆相 (主要为 ZrO： )存在碳化硅粒子间， 领域具有非常重要的应用本文研究重结晶碳化硅 如图 3、图 4所示 材料的高温氧化过程及承加剂对其氧化的影响，并对实验结果进行了讨论1实验方法采用文献 ”1介绍的疗法制备重结晶碳化硅试 样原料采用工业用 】25tⅢ“ 一 SiC粉，纯度 96％， 加入不同的 Al粉和 ZrO：盼，采用有机树脂作粘结 剂粉料混合均匀后，在 140MPa 压力下压制成型， 然后在真空电阻炉中，氮 2 e保护下烧结试样气孔率采用排水法测定，在 1500℃ 空气中图 l重结晶碳化硅显微组织氧化不同时间，然后测定毫贡量变化率， “此来表征其氧化行为称重在精 j莲万分之一光电天平上进行。

2． 2重结晶碳化硅的氧化过程在 S一 2700 型扫描电镜上观察了重结品碳化 重结晶碳化硅 1500 屯氧化质量变化率 (增重硅试样氧化前后的组织， -l}进行能谱分析试样的 率 )与时间关系如图 5所示随氧化时间的增加，碳g堕壹三猩塑型》!!塑垒!!旦 ： 13§：化硅材料表现出良好的高温使用性能随高温氧化 的进行，氧通过 si02 膜由外向内扩散，氧化过程受 氧的扩散速度控制，表现为抛物线规律在纯碳化 硅的高温氧化时，氧化初期生成的雕仉膜为非晶 态，随氧化的进行，非晶态 si吼发生晶化，使碳化硅 材料的氧化速度减慢 17l在本试验中，所使用的工 业碳化硅原料中含有较多的杂质，氧化生成的 SiO， 膜很快晶化，使重结晶碳化硅的抗氧化能力提高， 即使在1 500℃ 氧化，也表现为抛物线规律图 2重结晶碳化硅 XRD 图谱冰褂1】田 =| 磐 爱耳氧化时间／ hr围 s碳化硅曩化增重宰与氧化时间关系图 3富铝相 对于加 Al的重结晶碳化硅试样， 1500℃ 氧化 时，以 AI： 0，形式存在的富铝相及圊溶在 SiC中的 AJ原子将会与 SiC 氧化生成的 Si02 反应，在 SiC 袭 面形成莫来石膜相 ”)。

因氧在莫来石中的扩散系数 较低，有利于阻止氧的扩散，从而提高重结晶碳化硅材料的抗氧化能力加入 ZrO：后的重结晶碳化硅 试样 1500 C氧化时，以 ZrO：形式存在的富错相与 SiC氧化时生成的 SiO- 反应生成的 zrSio 一，也具有 较低的氧的扩散系数，可以获得较好的抗氧化能力¨』 试验结果表明，在碳化硅材料中加入一些能形 成高熔点、低氧扩散系数化合物的元素或化合物， 是改善碳化硅材料高温氧化行为的有效手段图 4寓锆相3 结论化硅材料的氧化增重率增加，且呈现出抛物线规律而加入铝和氧化锆的重结晶碳化硅材料氧化增 重结晶碳化硅由单一的 a—SiC和气孔组成 重率随氧化时闽的增加，虽然也表现为抛物线规 在 1500℃ 氧化时氧化过程遵循抛物线规律由于 律，但抛物线反应速度明显降低 杂质的存在，使其氧化生成晶态 SiO：膜加入 Ai和碳化硅在温度高于 1000％时，就会与氧发生如 ZrO：后，在氧化时它们可与 SiO：反应生成莫来石和 下反应： ZrSiO有利于降低氧的扩散速度，提高了重结晶碳SiC+02 — }si02+CO 化硅材料的抗氧化能力生成的 SiO ：具有良好的抗氧化能力，从而使碳 (下特第 141 页 }《堕童三矍缯型》!!12垒!!旦 ： !垒 !：少病人受细菌，特别是一些有抗药性的细菌的感染 报道 D1， Ti0：光催化剂对氧氮化物的净化效果可达 机会，降低卫生洁具、裕具的使用者被粘附细菌侵 80％，如能推广在城市建筑物，特别是道路两旁的 入的可能性，以及减少日益严重的大气污染，都有 建筑物外墙大量铺设光催化陶瓷外墙砖，有可能在 很高的社会现实意义。

很大程度上减轻城市的大气污染在现代人狭小的室内生活空间，由于各种家电 工作过程和各种人造木材、涂料、油漆等释放的有 参考文献 害气体在室内长时间聚集，对人体健康的影响时有报道根据美国环保局对使用各种建筑物质的室内 1李晓平．徐宝琨，刘国范．吴风清纳米 Ti仉光催化剂降 的空气连续五年的监测表明，室内空气中发现有数 解水中污染物的研究与发展．功能材料， 1999 ， 30(3) 干种化学物质，其中某些有害化学物质含量比室外 2盒宗哲新世纪的绿色建材一一保健环境建材．中国建绿化区高 20倍，而新建筑物完工后的前六个月空 材科技， 4， 19983 日刊工』k新闻．1998．4气中有毒化学物质含量比室外绿化区高 100倍，对人体健康已构成严重威胁 ”1在家庭居室使用抗菌 保洁陶瓷，不但可以杀灭有害细菌，无疑也可以在 一定程度上去除有害气体，有效净化室内空气由于现代交通工具的应用，城市的大气污染状 况日益恶化，氧氮化物是主要的有害成分之一，据(上接第 135 而 5 J A Coste]lo and R E． ‰ssler Boron redistribution insintered d— SiC during thermal oxidalio¨ ． J， Am Ceram ．参考文献 Sac。

1981， 64f6】 ． 332—3356 C B“m and T lseki Strength —porosity —micr“slrueture relations inporous reaction —sintemd SiC with free siliconJ． A Costello and R E'Iressler Oxidation kinetics ofrell20ved J Mater s∽ ， 1990 ， 125f211 ： 4203 ～ 4210 hot —pressedand sIntered d— SiC ． J． Am Ceram ． Soc．．1981，64[61：327—331 7 L u． J． T O曲uji．Effect of oxide devitfifieation noxidationkinellcs of SiC ． J Am Ceram ． Soe ．． 1997 802 H． Nanri ． M． ShiraJ and N． Takbuyuki ． “a1 ． Oxidalionf61： 1544—1550behavior of Si—SiC at high temperature J Ceram soc．8 H Du ， Z， Yang and M Libera ． Alteration of oxidationJap．．1997，105f1】：15203 Z Zheng R E Tressler and K E．Speor Oxidation of beha’-i”ofsilicon carbide by Muminium implantation J． Mater Sci．Lett．． 1995． 14i4j： 460—463single ～ crystn]silicon carbide ． J． Electrochem Soc，1990．137f91：2812—2815 9 C Y Tsai and C C Lin EfkcI of zireonia content oilthe oxidationbehavior of silicon carhie ／ zireonia ／ mullite4 S C．Singhal and F F Lange Eflh_=t of alumina contenton theoxidation of hot —presscd silicon carbide J Am composites ． J Am Ceram Sm、 1998， 81【9】 ： 2413—2420cPrjJ肌 Soe， 1975， 58【9 —101： 433～ 435。