Содержание углерода в каждом спеченном образце различно, при этом содержание углерода в диапазоне А-2,5 мас.% образует плотный материал практически без пор, состоящий из равномерно распределенных частиц карбида кремния и свободного кремния. С увеличением добавки углерода содержание реакционно-спеченного карбида кремния постепенно увеличивается, размер частиц карбида кремния возрастает, и карбиды кремния соединяются друг с другом, образуя каркасную структуру. Однако избыточное содержание углерода легко может привести к образованию остаточного углерода в спеченном теле. При дальнейшем увеличении содержания сажи до 3а спекание образца становится неполным, и внутри появляются черные «межслои».
При реакции углерода с расплавленным кремнием коэффициент его объемного расширения составляет 234%, что делает микроструктуру реакционно-спеченного карбида кремния тесно связанной с содержанием углерода в заготовке. При малом содержании углерода в заготовке карбида кремния, образующегося в результате реакции кремния с углеродом, недостаточно для заполнения пор вокруг углеродного порошка, что приводит к большому количеству свободного кремния в образце. С увеличением содержания углерода в заготовке реакционно-спеченный карбид кремния может полностью заполнить поры вокруг углеродного порошка и соединить исходный карбид кремния. В это время содержание свободного кремния в образце уменьшается, а плотность спеченного тела увеличивается. Однако при большем содержании углерода в заготовке вторичный карбид кремния, образующийся в результате реакции между углеродом и кремнием, быстро окружает тонер, затрудняя контакт расплавленного кремния с тонером и приводя к образованию остаточного углерода в спеченном теле.
Согласно результатам рентгенодифракционного анализа, фазовый состав реакционно-спеченного кремния включает α-SiC, β-SiC и свободный кремний.
В процессе высокотемпературного реакционного спекания атомы углерода мигрируют в исходное состояние на поверхности SiC β-SiC за счет образования расплавленного кремния α-вторичного. Поскольку реакция кремния с углеродом является типичной экзотермической реакцией с большим количеством теплоты реакции, быстрое охлаждение после короткого периода самопроизвольной высокотемпературной реакции увеличивает насыщенность углерода, растворенного в жидком кремнии, так что частицы β-SiC осаждаются в виде углерода, тем самым улучшая механические свойства материала. Следовательно, измельчение вторичных зерен β-SiC способствует повышению прочности на изгиб. В композитной системе Si-SiC содержание свободного кремния в материале уменьшается с увеличением содержания углерода в исходном материале.
Заключение:
(1) Вязкость приготовленной реактивной спекающей суспензии увеличивается с увеличением количества сажи; значение pH является щелочным и постепенно увеличивается.
(2) С увеличением содержания углерода в теле плотность и прочность на изгиб реакционно-спеченной керамики, полученной методом прессования, сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Когда количество сажи в 2,5 раза превышает исходное количество, прочность на трехточечный изгиб и объемная плотность заготовки после реакционного спекания очень высоки и составляют 227,5 МПа и 3,093 г/см³ соответственно.
(3) При спекании материала с избытком углерода в его теле появляются трещины и черные «сэндвич-зоны». Причина растрескивания заключается в том, что образующийся в процессе реакционного спекания газообразный оксид кремния с трудом выходит наружу, постепенно накапливается, давление повышается, и его эффект «взбалтывания» приводит к растрескиванию заготовки. В черных «сэндвич-зонах» внутри спеченного материала содержится большое количество углерода, не участвующего в реакции.
Дата публикации: 10 июля 2023 г.