活化辅助造孔多孔炭反应形成碳化硅的硅化机理及结构调控

Reaction-forming is an attractive method for fabricating silicon carbide ceramic due to its low cost and near-net shape fabrication capability. However the applications of reaction-formed SiC are seriously restricted by the existence of large content of Si in the matrix and the lower properties. In this project a new fabrication method for reaction-formed SiC will be put forward, which includes two stages: firstly porous carbon is fabricated from mesocarbon microbeads by activation assisting pore formation, secondly liquid silicon infiltrate and react with carbon, forming silicon carbide. The effects of mesocarbon microbeads activation assisting pore formation on the wetting, infiltrating and reacting of Si with carbon, and structure and properties of SiC ceramic are the key scientific problems. The fabrication of porous carbon with controllable structure by activation assisting pore formation, activation mechanism, microstructural evolution and characteristics of mesocarbon microbeads-porous carbon-silicon carbide, and the regulation and optimization of structure and properties of silicon carbide are the main research contents. The innovations involve the fabrication of porous carbon by mesocarbon microbeads and activation assisting pore formation, study of siliconizing mechanism and regulation of structure. By research results, a new fabrication method for reaction-formed SiC will be formed, siliconizing mechanism of porous carbon by activation assisting pore formation will be clarified, regulation of structure and optimization of properties of SiC ceramic will be realized.

反应形成法制备碳化硅陶瓷具有成本低、可近尺寸成型的优点，但大量残余硅的存在及较低的性能严重制约了其应用。本项目提出一种中间相炭微球活化辅助造孔制备多孔炭，然后渗硅反应形成碳化硅陶瓷的新技术。中间相炭微球活化辅助造孔对熔融硅润湿、渗入及反应行为，以及对碳化硅陶瓷组织与性能的作用机制是需要解决的关键科学问题。活化辅助造孔制备结构可控多孔炭及造孔机理、中间相炭微球-多孔炭-碳化硅的组织结构演变规律与特征，以及碳化硅陶瓷组织与性能的评价与调控是主要研究内容。项目在以"中间相炭微球"为碳源和"活化辅助造孔"处理制备多孔炭、硅化机理及结构调控方面具有创新性。通过研究，可形成一种制备反应形成碳化硅的新技术，阐明活化辅助造孔多孔炭的硅化机理，实现碳化硅陶瓷组织结构的调控和性能的优化。

本项目的研究目的，在于提出一种采用中间相炭微球活化辅助造孔制备残硅与残炭尺寸小且量低的高性能反应形成碳化硅陶瓷的新技术，活化辅助造孔制备结构可控多孔炭及造孔机理、中间相炭微球-多孔炭-碳化硅的组织结构演变规律与特征，以及碳化硅陶瓷组织与性能的评价与调控是本项目主要研究内容。研究表明，通过提高活化温度和碱含量，中间相炭微球表面粗化，部分球体沿层片方向裂开，孔体积和孔径变大。同时，当活化温度升高到1000℃时，微球表面出现石墨烯结构，该结构是由构成炭微球的炭质中间相小球体在KOH高温活化作用下，内部腐蚀，球体表面张应力得到释放而伸展获得的。这种富含石墨烯结构有利于液相硅的润湿与反应。通过观察反应生成的碳化硅，碳化硅生长主要是溶解-沉淀机制，并伴有部分扩散机制。该生长机制与坯体孔径密切相关。当孔径很小时，首先生成的碳化硅会堵塞孔道，阻碍液相硅的后续渗入，碳化硅只能通过扩散机制生长。孔径增大，有利于溶解-沉淀机制的进行，但孔径太大，也会导致残余硅含量的提高。通过KOH活化处理，未反应碳含量大幅度降低，而残余硅含量略有提高。碳化硅陶瓷弯曲强度最高为420MPa，这是因为生成的碳化硅陶瓷颗粒尺寸较大，与其熔解-沉淀机制有关。综合考虑残硅量、残炭量和力学性能测试结果，本课题制备的碳化硅陶瓷残硅量、残碳量低、但力学性能要高于相关报道。碳化硅陶瓷摩擦系数可达0.375，其磨损机理为犁削和粘着磨损，未反应炭没有起到润滑作用。其摩擦磨损行为不仅与相的本质、含量有关，还与其颗粒大小、分布密切相关。对于反应烧结碳化硅陶瓷，影响热导率的主要因素是颗粒细小、无序的界面过渡层含量。通过本项目的研究，形成了一种制备反应形成碳化硅的新技术，基本实现了碳化硅陶瓷组织结构的调控和性能的优化，为丰富反应烧结碳化硅制备技术提供了实验和理论依据。