碳化硅—堇青石复相陶瓷窑具材料的制备及表征

摘 要 本文对碳化硅、堇青石的优点整合制备碳化硅/堇青石复相陶瓷窑具，并从力学性能方面研究了碳化硅及堇青石的含量对复相窑具性能的影响，确定碳化硅含量在75%，堇青石含量在8%～10%得到性能优异的复相陶瓷窑具，同时对烧成温度进行了研究，发现在1 390℃下保温3小时有利于产品的完全烧结。通过X-射线衍射（XRD）分析，复相陶瓷窑具中并未有杂质相出现。

关键词 碳化硅；堇青石；陶瓷复相窑具

0 引言

我国陶瓷行业的窑具生产具有悠久的历史，作为在陶瓷产品烧成工序中用于支撑、保护被烧制产品的耐火材料制品，其性能质量的好坏直接关系到要烧制的陶瓷产品的质量，而且对烧制成本有较大的影响，而现有的窑具由于热稳定性差、使用寿命短、使用效果差，致使瓷器出现变形、掉渣等质量问题，严重制约了我国陶瓷行业的发展，因此窑具的质量至关重要。

碳化硅材料已成为人们广为利用的非氧化物陶瓷材料。它具有热导率大（500℃热处理下导热系数达65w/（m·k），875℃热处理下导热系数达42w/（m·k）），是一般高铝质耐火材料的10倍以上，应用于窑炉能降低能耗；热膨胀系数小（0～1 400℃为4.8×10-6℃-1），热震稳定性好，高温耐磨性能优良，抗化学侵蚀性能强等一系列优点；但也存在室温下韧性不足，高温比重大、蓄热高、常压烧结困难，抗氧化性不好等缺点，这就容易导致窑具的重量高、使用寿命短，且生产成本相对较高。

堇青石属于环状结构，内部结构空隙较大，其结构特性使其具有较小的热膨胀系数（20～1 000℃，a=0.8～3×10-6℃-1），良好的热稳定性，较高的化学稳定性，广泛应用于高温炉、窑具、电子器件及电子封装材料等。由于堇青石应用温度范围较窄，同时窑具产品的机械强度偏低，并且容易因为机械性损伤和高温变形而在较短使用时间后报废，不能满足高品质陶瓷制备的需求。

本文主要是研究如何将堇青石与碳化硅的优点加以整合，开发出复合型堇青石-碳化硅质窑具材料，既可以降低窑具重量，实现节能降耗，又可以提高窑具使用寿命，达到提高产品烧成质量和降低生产消耗的效果。

1试验过程

1.1 试验原料及设备

试验原料：碳化硅（8～10目，16～20目，150～0目）、堇青石细粉、苏州土、金属硅粉、Al2O3、滑石、烧结助剂以及粘合剂等。

主要设备：TYE-1 000型压力试验机、电动抗折试验机、KSF1 600型烧结炉、显气孔体密测定仪等。

1.2试样的制备

以碳化硅颗粒为骨料搭建骨架（级配为粗：中：细=35：15：25），利用细粉作为基质原料，将骨料搅拌均匀同时缓缓加入结合剂溶液并搅拌均匀，然后将细粉缓缓的加入到骨料中搅拌至终态，之后困料24h。在125mm × 25mm × 15mm、φ36mm的模具内机压成型；成型后的试样放入恒温烘箱中进行低温烘干处理，在1 390℃下烧成，保温时间为3小时。

1.3性能表征

（1）采用电动抗折试验机和压力试验对试烧结后的试样的常温抗折强度（CMOR）和常温耐压强度（CCS）表征。

（2）采用显气孔体密测定仪对烧结后的试样的体积密度以及显气孔率表征。

（3）采用X-衍射仪对烧结后的试样进行XRD物相分析。

2结果与讨论

2.1 碳化硅含量对复相窑具性能表征

碳化硅含量比对常温抗折强度和常温耐压强度的影响如图1所示，随着碳化硅含量的提高，试样的常温抗折强度（CMOR）和耐压强度（CCS）均随之升高，在碳化硅含量比为75%时强度值达到最大值，之后强度值则随着碳化硅含量比升高而下降，因此在碳化硅-堇青石复相窑具材料中，碳化硅含量在75%相对较为理想。若碳化硅含量过高，特别是骨料部分，细粉相应的减少，导致复相窑具坯料堆积时因细粉的量不足而出现较多的显空隙，降低了材料的致密度，使氧气更容易进入到制品内部而加重氧化，同时由于碳化硅的熔点较高，碳化硅过多则需提高烧结温度，氧化程度则会加重。

烧结产品的体积密度及气孔率的变化如图2所示，体积密度在2.4～2.6g/cm3之间，且体积密度的变化趋势与强度变化趋势相吻合。强度高，密度相应的提高，从而使气孔率出现下降。

2.2 堇青石含量对复相窑具性能表征

堇青石含量比对常温抗折强度（CMOR）和常温耐压强度（CCS）的影响如图3所示，当堇青石含量由5%提高到15%时，试样的常温抗折强度和耐压强度随呈现较为明显的下降趋势。究其原因：由于堇青石本身结构为环状结构，其[SiO4]四面体联结为特殊的螺旋状六方结构，具有较大的空隙，使得结构疏松，所以当堇青石含量升高时，意味着内部的空隙增多，导致强度偏低；此外堇青石应用温度范围较窄，很容易形成尖晶石相和莫来石相而使试样内部气孔率上升，导致制品性能变差，机械强度也可能会有一定程度的降低。所以要根据需要对堇青石的引入量进行调节。由于本文研究的是碳化硅-堇青石复相陶瓷，在热力学性能变化许可的范围内堇青石相含量要尽量提高，因此由图3可知，堇青石含量在8%～10%材料的常温力学性能较为理想。

图4所示为堇青石含量对体积密度以及气孔率的影响，因堇青石特殊的结构，随着堇青石含量的提高，其体积密度逐渐降低，内部气孔增加，气孔率则相应的提高。有相关文献知，堇青石的密度为1.8g/cm3，随堇青石的加入，能使得窑具的重量有所降低。

2.3 烧成温度对复相窑具性能表征

图5为烧成温度对常温抗折强度（CMOR）和常温耐压强度（CCS）的影响，试样的常温抗折强度与常温耐压强度随烧结温度的提高而提高，在1 390℃达到最大值，之后随烧结温度的提高其强度呈下降趋势，内部晶体结构可能发生了变化，残余热应力增大，产生裂纹等缺陷造成的，并且样品表面出现了严重氧化现象。根据相关文献可知，堇青石的熔点为1 460℃，最高生成温度为1 400℃。因此碳化硅-堇青石复相陶瓷窑具的烧成温度1 390℃为宜。相对于碳化硅窑具的烧成温度在1 450℃以上，能耗有所降低。

烧成温度对体积密度以及气孔率的影响如图6所示，随着烧结温度的提高，试体积密度相应的提高。气孔率随着体积密度的提高而降低。烧结温度的进一步提高，烧结过程中促使试样内部的气孔进一步的排出，液相填充，使密度略有提高，但同时也加大了试样的表面氧化程度。

就烧成温度分析，最高烧成温度不超过1 390℃，相对于碳化硅的烧成温度明显降低。温度在1 400℃时强度明显下降，过烧时晶体结构发生变化，液相增多，晶粒分布不均匀，残余热应力增大，产生裂纹等缺陷，使力学性能显著低。

2.4复相陶瓷窑具的X-射线衍射（XRD）分析

对烧结后的样品进行X-射线衍射物相分析实验，其结果如图7所示，烧成后的窑具材料中相均为SiC相和堇青石相，并未出现其他的如尖晶石相或莫来石相等杂质相，这为碳化硅-堇青石复相陶瓷窑具的质量提供了保证。

4 结论

本文对堇青石-碳化硅复相陶瓷窑具材料的制备进行了系统的研究。综合试验结果，所得出结论如下：

碳化硅加入量不宜超过80%，以75%为宜；堇青石加入量的提高对试样性能有所下降，加入量为8%～10%为宜，过高会影响力学性能，过低则不利于形成复相结构。所制得的复相陶瓷窑具常温抗折强度20～27MPa，常温耐压强度120～160MPa，气孔率14%～18%，体积密度2.3～2.6g/cm3。

对部分工艺参数进行了研讨发现，烧成温度在1 390℃时对制品比较有利。同时通过XRD分析，所制备的碳化硅-堇青石复相陶瓷窑具材料结构均一，无杂质相出现。

参 考 文 献

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