碳化硅材料毕业设计（含外文翻译） .doc

某某某某大学学士学位论文 论文题目：SiC基陶瓷作为高温 玻璃夹具材料的研究院(部)名 称: 材料科学与工程 学 生 姓 名: 专 业: 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 论文答辩时间: 学位授予时间: 北方民族大学教务处摘 要本文主要对SiC基陶瓷作为高温玻璃夹具材料的可行性进行研究。采用机械化学结合无压烧结制备碳颗粒改性SiC陶瓷基复合材料（Cp/SiC），对其进行了XRD、SEM表征，分析了不同碳含量对C/SiC陶瓷烧结样品的体收缩率、密度、抗弯强度、显微硬度、断裂韧性和机加工性的影响。同时运用模糊数学理论，建立了模糊综合评价模型。我们试图通过陶瓷的断裂韧性、硬度和抗弯强度等物理力学性能，对陶瓷的可加工性进行进行预测。结果表明：烧结后的C/SiC复相陶瓷中的SiC发生了晶型转变，并且-SiC比-SiC的结晶度更好。在含碳量为020%的研究范围内，碳含量为10%的C/SiC复相陶瓷的显微组织最致密，而且碳与SiC的结合情况较好。随着碳含量的增加，C/SiC烧结体的密度、体收缩率和抗弯强度都逐渐较小。随着碳含量的增加，碳碳化硅复相陶瓷机加工性逐渐增强。关键词：Cp/SiC；高温玻璃夹具；机加工性；力学性能ABSTRACTIn this paper, we mainly study that the feasibility of the Silicon Carbide Matrix ceramic materials as the high - temperature glass fixture.the ceramic sample of carbon particles modified silicon carbide ceramic matrix composite (Cp/SiC) was synthesized via mechano-chemical combination of pressureless sintering and characterized by XRD and SEM. Then we analysed that the different carbon content of C / SiC ceramic sintered had an influence on the rate of body shrinkage, density, bending strength, microhardness,fracture toughness and machinability mechanical properties.At the same time,we established the fuzzy comprehensive evaluation model through the fuzzy mathematical theory. and try to predict the machinability of ceramic via the physical and mechanical properties,such as the fracture toughness, hardness and bending strength and so on.The results were as follows:The silicon carbide crystal of the C / SiC composite ceramics has transformed,and the crystallinity of -SiC is better than -SiC after sintering.when the carbon content is 10%, the microstructure of C / SiC composite ceramics is the most dense, and the combination of carbon and silicon carbide is better in the range of 0 to 20% within the study area.With the increase of carbon content, the density of C / SiC sintered , the rate of volumetric shrinkage, and bending strength all gradually decreased. With the increase of carbon content, the machinability of Cp/SiC gradually strengthened.Key words: Cp/SiC，High-temperature glass fixture，machinability mechanical properties 目 录第一章 绪论11.1SiC陶瓷材料概述11.1.1 SiC材料的性质极其应用11.1.2 碳碳化硅复合陶瓷材料11.2项目研究背景21.2.1玻璃行业夹具材料现状21.2.2作为玻璃夹具材料的条件要求21.2.3 SiC材料在玻璃行业的应用前景31.3陶瓷的机加工方法31.4 陶瓷材料可加工性的表征与影响因素51.4.1 陶瓷材料可加工性的表征与评估51.4.2 陶瓷材料机加工损伤的表征71.4.3 影响陶瓷材料可加工性的因素71.5陶瓷机加工机理81.6研究的目的和意义9第二章 实验112.1实验所用原料及仪器112.1.1原料及其性能指标112.1.2 实验所用仪器及用途122.2实验过程122.2.1混料122.2.2干燥132.2.3 成型132.2.4 样品烧结132.2.5 密度测量142.2.6 试样的磨切142.2.7力学性能检测152.2.8 机加工测试15第3章 结果与讨论163.1实验结果分析163.1.1 C/SiC复相陶瓷的XRD物相组成分析163.1.2 C/SiC复相陶瓷的显微结构分析173.1.3 碳含量对C/SiC复相陶瓷密度的影响173.1.4碳含量对C/SiC复相陶瓷体收缩率的影响183.1.5碳含量对陶瓷抗弯强度的影响193.1.6 碳含量对陶瓷显微硬度和断裂韧性的影响193.2数学建模分析213.2.1 模糊评价模型的建立213.2.2 模型求解223.3.3 解决方法24第四章 结论25致 谢26参考文献27附录 外语文献原文29译文40第一章 绪论1.1 SiC陶瓷材料概述1.1.1 SiC材料的性质极其应用SiC是拥有极强共价键的化合物，共价键成分大约占88%；Si-C键强度极高，键长大约为1.888A。SiC由于其结构而具有许多优良性能，例如抗氧化性强、高温强度大、耐磨损、热稳定性优、热导率大、热膨胀系数小、硬度高以及高抗热震和耐化学腐蚀。SiC陶瓷材料同时还具有高温抗氧化性，在高温条件下，表面会有一层致密的保护膜生成，阻止了材料的进一步氧化，使其具有优良的抗氧化性能。由为SiC陶瓷材料的众多性能，己被广泛应用于各个领域。由于SiC陶瓷材料的高硬度，是常见的磨料之一，因而可以制作砂轮和各种磨具；由于它的弹性模量高和密度低，保证了它拥有很高的比刚度，因而可作为高科技领域中的结构材料；由于其导热系数高、热稳定性和化学稳定性好，因而常用作化工泵的耐磨、抗腐蚀密封部件；由于它的热膨胀系数几乎可以与Si和GaAs相比，一些SiC陶瓷亦可用于封装电子材料；由于碳和硅的原子序数都比较低，因而SiC陶瓷材料可以作为原子反应堆的结构材料；SiC陶瓷材料还可用于高温结构材料等国民经济生活中的许多领域1。1.1.2 碳SiC复合陶瓷材料C/SiC复合材料作为一种新材料，正在逐渐引起人们的关注。它既可以作为高温环境中使用的结构材料，又可以作为高导电、高传热材料在特殊场合发挥独特的作用。它是一种以碳颗粒为增强体，以SiC为基体的复合材料，综合了碳颗粒增强体良好的力学性能和陶瓷基体良好的化学和热稳定性。具有密度低、耐磨、抗氧化性及抗热震性好等特点，使用温度可达1000以上。C/SiC复合材料既可以作为耐高温的结构材料，又可以作为高导电、高传热材料在特殊场合发挥独特的作用。由于它具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀、耐辐照、硬度高、弹性模量高、热导率高、高温强度优、热膨胀系数小、抗热震性好、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高、介电常数小和吸波性能好等优异性能,可以承受金属材料和高分子材料难以承受的苛刻工作环境，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键，也必将成为21世纪一项重要的材料研究方向2。1.2 项目研究背景1.2.1 玻璃行业夹磨具材料现状近年来，随着电子工业的迅猛发展，工业玻璃制品生产行业的发展步伐逐渐加快，由于成千上万的特种玻璃零件需要在高温条件下熔化使其成型，因而对耐高温的夹具及支架材料的需求也越来越旺盛。同时，随着玻璃制瓶和器皿业的高速发展，玻璃瓶罐的生产开始以高速和轻量化为方向发展，导致用于玻璃模具的材料日益受到重视，尤其是一些合资或三资企业的生产玻璃瓶罐的厂家，由于引进了国外先进的生产线用于制瓶，因而对玻璃模具的质量有了更高的要求，对玻璃模具材料的要求也逐渐严格。目前，玻璃制造业使用的支撑及夹具材料为石墨材料。石墨虽然具有耐高温特性，但也存在诸多的缺点：（1）材料密度小，易受破坏，损耗大；（2）满足不了急冷，急热工作条件要求；（3）容易被氧化，且氧化后，由于各个孔的定位和其本身几何尺寸精度满足不了使用要求，因而无法继续使用；（4）使用寿命短，石墨夹具最大使用寿命为100个周期；普通陶瓷夹具的一些材料具有挥发性，能附着在金属件表面上，影响夹具的重复使用，造成维修困难等。而由于SiC陶瓷材料具有高强度、高耐磨性、优异的抗氧化性，但是很容易与玻璃发生粘结，不容易被分离，而且烧结制品的加工难度大。因此需要研究开发一种既具有碳材料良好的可加工性又具有SiC材料良好的耐磨性、抗氧化性等优点的复合材料来替代现有石墨材料，解决目前高温玻璃夹具的难题3。1.2.2 作为玻璃夹具材料的条件要求（1）材质致密，易于加工，能获得优良的表面粗糙度。烧结成陶瓷制品后易钻孔、易切割等特性，只有材质致密易于加工才能加工出高精度的夹具；（2）化学稳定性好。夹具材料要有一定的抗玻璃腐蚀和在工作温度下的抗氧化能力，否则模具在使用时将会出现脱皮和起鳞现象，严重影响玻璃夹具的质量和夹具本身的寿命；（3）应具有良好的耐热性和热稳定性。因为夹具在高温环境中使用，因此要求工业玻璃部件烧制过程中的夹具材料必须耐9001100高温；（4）工高温环境下不与玻璃发生粘结、抗氧化性、导热性、耐磨性良好；（5）夹具使用寿命达5001000个周期；（6）力学性能：抗弯强度为100MPa180Mpa，满足强度要求。1.2.3 SiC材料在玻璃行业的应用前景目前，玻璃窑中使用的支撑材料主要为石墨材料。石墨虽然可以耐高温，但材质疏松，高温下易氧化，很容易损坏，材料消耗高。SiC材料虽然具有很好的耐高温、耐磨损、抗热震性、抗氧化性等，但该材料硬度极高，以至于烧结致密后无法机加工，并且在高温下很容易与玻璃粘结在一起，不易分离。如果能改善SiC陶瓷的机加工性和其与玻璃的粘结性，将在玻璃行业中有广阔的发展前景，并能推动整个陶瓷行业的发展。1.3 陶瓷的机加工方法常见工程陶瓷加工技术主要有：激光/等离子加工、机械加工、超声波加工、电火花加工、化学机械加工、高压磨料水射流加工以及各种复合加工工艺。陶瓷材料的不同的加工方法的选择可根据材料的种类、工件形状、加工精度、表面粗糙度、加工效率和加工成本等因素决定4，常见的加工方法有以下几种。（1）机械加工机械加工是一种陶瓷材料的传统加工方法，也是应用最为普遍的加工方法。机加工主要包括对陶瓷材料进行的车削、切削、磨削、钻孔等加工技术。其具有加工效率高和工艺简单的优势，但由于陶瓷材料硬度高、质脆，因而通过机械加工难以完成尺寸精度高、表面粗糙度低、可靠性高、形状复杂的工程陶瓷部件。（2）放电加工1947年Lazarenko等对将放电加工用于硬质金属材料提出了解决的思路。在80年代后期，放电加工技术逐渐被引入陶瓷领域用于材料加工。研究显示：陶瓷材料可以用放电加工进行加工的条件是陶瓷/陶瓷或金属/陶瓷复合材料的电阻值比100·m小。放电加工属于无接触式的精细加工技术。首先把加工原件和型模分别做为电路的阳、阴极，用液态的绝缘电介质把两级隔离，利用悬浮在电介质中的高能量等离子体产生的刻蚀作用，另表层材料熔解、热剥离或蒸发，从而完成材料加工。在加工过程中，由于模具没有与工件发生直接接触，故没有机械应力作用在材料的表面上，因此，放电加工属于一种较理想的用于加工脆性高、极硬陶瓷材料首选方法，但放电加工不适应于不导电材料。（3）高压磨料水加工1968年，美国密苏里大学的Roman·flanzi博士发表了第一个有关水射流切割技术的专利（高压水射流），即利用高压水磨料的射流进行加工的技术。逐渐在工程领域中获得应用。工程陶瓷材料一般为硬度高、强度高材料，单纯利用水射流加工，大约要用7001000MPa的高压，这在实验中都较难实现，单磨料水射流却可以较快提高冲击能量。通常磨料运用天然的石榴石。高压磨料水射流加工是一种高能量束的机加工技术，它的原理是陶瓷外表面在23倍音速的粉料冲击下，材料在高强的冲击力作用下，会使表面产生较多的裂纹，伴随着高压流冲击波的增加，裂纹会不断延伸，陶瓷表面会有碎屑掉落。用高压磨料水射流加工材料，陶瓷事实上是一种材料的动态裂纹扩展过程，即利用裂纹的延伸实现材料的磨削、钻孔加工、切屑，当前已经在复合材料、工程陶瓷等材料领域加工中获得了应用。（4）超声波加工利用工具（模具）引起超声波，进而使陶瓷元件和工具间的磨料悬浮液震动，对元件进行冲击和抛磨的加工技术叫超声波（即振动的频率大于16000次/s的振动波）加工。随着工件在三维方位上的进给，工件端部的形状被渐渐复制到陶瓷部件上。通常磨料有B4C、碳化硅和Al2O3等。通常选择的工作液是水，为了增加陶瓷表面的加工质量，也可利用机油或者煤油作为液态介质。由于在加工时，作用在元件上的力不大，在材料表面上产生的机械应力很小，因而对材料的伤害小、表面粗糙度较好。超声波加工适用于形状复杂、导电性差的硬脆材料的加工。（5）激光加工激光加工时把高能量密度的激光束当做热源，在加工的陶瓷材料表面产生瞬间高温，造成局部熔解或汽化，从而除去材料。激光加工是一种没有接触、没有摩擦的加工工艺，加工时，不需要模具，只要聚焦激光束在陶瓷表面上的位置，就可达到对三维形状复杂材料进行加工的目的。于陶瓷材料上制作微结构，进行微钻孔、微切割，也可通过激光加工实现。当前已能加工半径22.5um、径深比大于10以上的微孔。一般选用CO2和Nd的激光作为光源。（6）其他加工技术由西迷歇根大学的制造工程教授John Patten博士开发了一种称为“”的微激光辅导加工技术，该方法将激光与金刚石道具结合起来，对陶瓷材料进行加热软化和切削加工。加工装置集成了一种红外光纤激光。激光通过一个具有很高观雪清晰度的单点金刚石刀具照射到工件上，将工件材料加热到600摄氏度以上。其他工程技术人员已经尝试了用各种不同的方法来加工陶瓷，期中一种方法就是先在炉子中加热工件，然后再对其进行加工5；另一种方法是分别采用激光加热和金刚石刀具切削，而Patten发明的方法将激光和金刚石具集成到一起，因此具有明显优势，对于这种技术，正在和一家日本公司商谈的Patten正在争取实现这项技术的商业化，也就是投入到生产之中，相信有这项技术的支持的话，在某种意义上而言对二氧化硅的加工是一种进步，对陶瓷材料的加工也是一种进步，对整个行业的发张都是一种很大的进步。1.4 陶瓷材料可加工性的表征与影响因素1.4.1 陶瓷材料机加工性的表征和评估材料的机加工性一般采用用钻削、切削、磨削、车削等机械加工的困难度来进行定性描述。准确定量表达材料机加工的困难度很难。根据采用的不一样的测试方法,用来评价材料的机加工性的参数种类很多,例如:钻孔率、材料表面粗糙度、寿命、去除率、切削能、刀具磨损率或切削力材料等。众多参数主要决定于材料的力学性能以及显微结构,主要与断裂强度、硬度、韧性等有关,也于材料加工技术的先进程度有关。塑性指数（P=Hv/E）一般被用于表征材料抵抗形变和断裂的能力，它的值越小，材料的机加工性越优。Boccaccini采用用脆性指数(B)做为评估材料机加工性的参数，如式(1-1)。 (1-1)因此，可以采用用可加工指数(M)，即脆性指数(B)的倒数，来评价陶瓷材料的机加工性。同类材料可加工指数(M)值越大，陶瓷材料的机加工性越优。可加工指数(M)公式见公式（1-2）。 （1-2）1-2中，KIC表示陶瓷抵抗断裂的能力；硬度Hv表示陶瓷反抗变形的能力。由于KIC(见下式1-3)与塑性变形功、Vp材料的表面能v以及弹性模量E有关，故同塑性指数相比，能较好体现不同材料的本性。 （1-3）其中E=E/(1-2)，平面应变状态；E=E，平面应力状态；为泊松比。Evans指出在材料去除率相同的情况下，依据磨削力(P)、切削能来描述材料的机加工性，见式(1-4)，其中材料从表面沿钻头移动一个单位体积时所需的能量成为切削能。P值越大，材料的机加工性越差。BAIK等采用刀具测力器测量切削力，较准确的评测了玻璃陶瓷的机加工性6。 （1-4）在当前工程领域，通常是在运用特制刀具及钻头对材料进行抛磨、切削、磨削等加工时，采用测定刀具等的加工速度以及材料的表面粗糙度来衡量材料的机加工性。对于陶瓷、合金、玻璃质材料等新型超硬且加工困难的材料，一般也运用相对切削加工性系数Kr表征材料的相对切削加工性，即Kr=v60/(v60)，其中(v60)为当刀具的使用时间定为60min，切削最大应力为0.637Gpa的45#钢(把该材料作为基准)时所采用的切削速度；v60为在刀具使用寿命规定为60min，对某种材料进行切削时所能采用的切削速度。当材料的Kr>1时，材料的切削加工性比45#钢好；当材料的Kr<1,材料的切削加工性比45#钢低。通常认为Kr<0.5时，属不易加工材料。当陶瓷材料进行机加工的时侯，其显著特征是所需要砂轮和刀具进给力大，导致试件表层粗光滑度差、表层温度高，而且刀具和砂轮寿命低,容易出现表面裂痕,切削、磨削比低,进而对材料表面的磨损和使用时间造成影响。陶瓷材料磨削加工方法：（1）将陶瓷试样安置；（2）在不变力F作用下，在磨削时间T内对陶瓷用磨削砂轮规定时间进行磨削加工；（3）准确记录并称量陶瓷所磨细屑的质量M；（4）将陶瓷材料的硬度Hv和弹性模量E代入式1-5中，求出陶瓷材料的磨损系数7： （1-5）磨损系数值越小，陶瓷机加工性越差。本方法是一种高效率、简单、成本低廉的评估陶瓷磨削加工性能的方式。总而言之，不论是用组分设计还是性能优化，亦或用磨削力指数(P)或者可加工指数(M)来描述材料的机加工性，断裂韧性(KIC)、硬度(H)、弹性模量(E)都是极其重要的影响因素8。1.4.2陶瓷材料机加工损伤的表征通常，在机械加工过程中，陶瓷材料产生的裂纹总共有3个类别：与材料加工表面平行的横向裂纹、与材料加工表面垂直的径向或纵向裂纹、晶内和晶间微裂纹。陶瓷材料在机加工过程的损伤检测和表征领域发展了许多无损检测方法。Ah等先采用压痕法在SiN和玻璃当中中引入纵向和横向裂纹，最后采用超声和热波检测的方式检测这些裂纹，再对材料的表面形貌运用光学显微镜进行观察分析。1.4.3 陶瓷材料机加工性的影响因素（1）工艺过程分析相关实验结果得出，陶瓷材料的磨削能不但与材料本身的组成、微观结构有关，而且与磨削液种类和磨削工艺参数有关12。实验表明：在对陶瓷材料进行研磨抛光的精密加工过程中，磨料以及磨削液会同材料表面产生化学作用，故选择的合理性异常重要。众多科研工作者进行了大量优化工艺的工作，努力提高加工后陶瓷材料表层完整性和加工精密度，阻碍表面微裂纹的产生,研究内容主要有:如何选择切削、磨削液；探讨陶瓷材料的磨削和切削机理；开发新型砂轮、刀具，加快其使用进程；怎样合理选择机加工的参数(切削、磨削速度，进给量等)等10。（2）材料的结构材料在切屑等机加械加工过程中发生的各种磨损形式，包括：晶体内部的孪晶、滑移及晶间微微裂，一般受陶瓷材料的热力学性能和陶瓷本身的物理性能决定，关键在于陶瓷材料的成分和显微结构。云母类玻璃陶瓷的机加工性和显微硬度同陶瓷的显微结构息息相关，评价材料特点的重要参数包括晶粒的晶粒的空间排列、结晶度、纵横比等。Chawai实验结果表明：显微结构、-Si3N4和-Si3N4的相对含量、孔尺寸及空隙率的大小对Si3N4陶瓷材料的抗弯强度、抗热震性等热力学性能及机加工性能有显著影响。Si3N4陶瓷根据相含量的不同，显微结构可分为3种类型：纯颗粒状-Si3N4晶粒；颗粒状-Si3N4和柱状-Si3N4结晶体；纯柱状-Si3N4结晶体。实验表明：纯柱状-Si3N4结晶体的可加工性能最佳19。（3）材料的物理和热力学性能一般，陶瓷材料的断裂韧性、弹性模量越低，陶瓷可加工性能越差。硬度、强度值越低，切削力越小，切削温度越低，相应的刀具磨损越小，因此它的机加工性好。（4）材料分布和组分当材料的组分差异、组成相同相不同时，由于微观结构的不同，导致抵抗断裂和变形的能力不同。例如-Si3N4和-Si3N4 Hv的值分别为16.0GPa、18.5GPa，即使力学性能也会有所不同,因而组成不同以及发生相变都会影响材料的机加工性。此外，利用弱晶界相制备的可加工纳米复合材料，晶界相的分布对材料的加工质量和加工效率至关重要19。1.5陶瓷机加工机理从材料微观力学机制来看，高强度要求高的裂纹扩展阻力，而优良的可加工性则要求裂纹易于扩展和连接。从应力场作用区域和应力状态来看，强度应力场作用区域为整个构件尺寸，一般为毫米级，处于正应力状态；而加工时刀具作用的应力场仅局限在刀具尖端附近的微小区域内，一般为微米级，处于剪切应力状态。因此，在可加工陶瓷中，长、短裂纹对材料性能所起的作用不同，所处的应力状态也不同。提高长裂纹扩展阻力，则强度高；降低短裂纹扩展阻力，则可加工性好。按照Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸(临界裂纹尺寸决定C)决定13。临界裂纹尺寸的表达式表示如（1-6）: (1-6)其中:KIC为断裂韧性，f为断裂强度；Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、样品形状及加载方式。一般来说，可加工陶瓷的临界裂纹尺寸约为微米级，当陶瓷中可加工相的尺寸低于此临界值时，对材料的强度影响不大，而在此前提下，可适当增加可加工相含量，提高其可加工性能。因此，为了获得既高强韧又可加工的陶瓷材料，实现可加工陶瓷的性能优化，应充分发挥弱界面对裂纹的偏转、分叉与桥联作用，提高长裂纹扩展阻力，降低短裂纹扩展阻力。以材料的显微结构设计作为突破口，通过对弱界面在基体材料中的大小、分布、数量的设计以及新型制备工艺的研究，实现可加工陶瓷性能的优化，从而制备性能优异的可加工陶瓷。实现这一目标最好的方法就是制备具有均匀弥散结构的纳米复相可加工陶瓷。所以本实验采用纳米炭黑为增强体，达到改善SiC陶瓷机加工性能的目的14。1.6研究的目的和意义目前，玻璃窑中使用的支撑材料主要为石墨材料。石墨虽然可以耐高温，但材质疏松，高温下易氧化，很容易损坏，材料消耗高。SiC材料虽然具有很好的耐高温、耐磨损、抗热震性、抗氧化性等，但该材料硬度极高，以至于烧结致密后无法机加工，并且在高温下很容易与玻璃粘结在一起，不易分离。因此需要研究开发一种既具有碳材料良好的可加工性又具有SiC材料良好的耐磨性、抗氧化性等优点的复合材料来替代现有石墨材料，解决目前高温玻璃夹具的难题。Cp/SiC材料，即耐高温，又有一定的强度，可以多次反复使用。尤其可贵的是可以钻孔，车削，适合复杂形状模板的后加工，这种新型材料由于符合工业生产的需求，很容易推广开来，促进工业生产的进步，降低生产成本。因此，Cp/SiC新材料由于其优良的耐高温性和易加工性,在玻璃夹具行业具有极大的应用发展潜力。目前国内已有几家玻璃制造公司提出了应用需求15。前期课题已对碳含量分别为10%、15%、25%时对Cp/SiC的力学性能、机加工性、抗氧化性和热稳定性进行了研究。一方面由于所研究含碳量设置较少，影响实验结论的准确性和后续研究；另一方面在研究机加工性时单纯的通过打孔时间来衡量，而打孔是采用人工操作，施力大小不易控制。因此有必要对上述部分存在的问题继续深入研究，采用其它的方法对机加工结果予以辅助，进而提高实验结论的可靠性和科学性。本实验主要结合玻璃工业中对材料的特殊需求：要求工业玻璃部件烧制过程中的支座材料必须耐980高温，同时与玻璃部件不能粘结，还希望有一定强度，可以反复使用，可以很容易地加工成复杂的形状等特殊要求进行研究。经过前期实验发现C/SiC材料可以满足以上要求，有希望成为一种应用广泛的新材料。本实验针对前期研究存在的问题，提出以下解决方案。研究碳含量分别为0、10%、15%、20%时Cp/SiC复合材料密度、机加工性、力学性能以及与玻璃的粘结性。同时运用模糊数学理论，以材料的物理、力学性能为依据，提出了一种对可加工陶瓷材料可加工性进行综合评判的方法。通过引入隶属函数和特征加权，使可加工性边界模糊化，能够很大程度上体现领域专家的知识及思维结构，所得出的综合评判结果能较为准确反映各种可加工陶瓷材料的可加工性，进而得出机加工性最佳时所对应的碳含量。同时，模型理论推导与实际加工检测相结合，提高实验结论的可靠性。制备出符合工业生产需要的新材料，即可以带动生产技术改进，推动经济发展，又给材料研究和新材料开发带来新的商机和发展。第二章 实验2.1实验所用原料及仪器2.1.1原料及其性能指标本实验的SiC颗粒是宁夏机械研究院提供的没经过造粒的亚微米级-SiC粉体，纯度97%，D50=0.657级配合理。（2）纳米碳黑粘度较大，分散性较差，导电性较好，是一种补强性能良好的碳黑，在作为胶料的补强剂时，能赋予胶料较好的抗撕裂性、耐磨性和弹性。本实验采用型号为N330的纳米级碳黑作为原材料，各项性能指标如表2-1所示。表2-1 N330纳米炭黑的各项性能指标表16产品指标参数吸碘值(g/kg)82±7DBP吸收值(10-5m3/kg)102±7着色强度（%）96-110加热减量（%）2.5灰份（%）0.545um筛余物（%）0.10500um筛余物（%）0.001（3）本实验所用的油酸为分析纯，为中国·莱阳市双双化工有限公司制备，具体性能参数如表2-2所示。表2-2 油酸各项性能指标17产 品 指 标参 数分 子 式C18H34O2分 子 量282.47密 度 （20）g/m30.891-0.896酸 值195-200乙醇溶解实验合 格灼烧残渣（以硫酸盐计%）0.05酸 度合 格本实验所用乙醇为分析纯，为天津市瑞金特化学品有限公司制备。（5）碳化硼：作为烧结助剂，改善材料烧结性能，提高材料断裂韧性及强度18。（6）蒸馏水：作为溶剂。（7）Darvanc：作为分散剂。（8）磨介。2.1.2 实验所用仪器及用途实验中用到的仪器见表2-3。表2-3 实验中用到的主要仪器仪器名称型号产地用途电子天平JJ300常熟双杰测试仪器厂配料喷雾造粒机MOBILE MINORNiro公司喷雾造粒图像处理维氏硬度计432SVD沃伯特测量仪器（上海）有限公司对样品进行显微硬度的测定划片切割机EC400VISTA CALIFORNIAMADE IN USA切割标准试样电子万能试验机CMT5305深圳新三思计量技术有限公司测试三点抗弯。断裂韧性搅拌磨混合粉料干燥箱101A-1中国实验仪器总厂烘干粉料干压机50前川测量仪器制造有限公司干压成型坯体冷等静压机LDJ100/320-300川西机械厂对坯体冷等静压真空烧结炉SYL-600株洲诺伯特高温设备有限公司常压烧结SiC电子分析天平AR2140Ohaus Gorp. Pine Brook, USA 测量陶瓷的密度卧轴矩台平面磨床HZ-Y150杭州机床厂对陶瓷进行磨光2.2实验过程 2.2.1混料按表2-4配方称量，将称好的SiC、C、B4C装入树脂罐中，加入600g磨介，球料比2:1，将添加剂（油酸、Darvanc、乙醇、水）在烧杯中混合均匀，再加入树脂罐中，用玻璃棒搅拌使其混合均匀，把配好的粉料装在三维混料机上球磨6h。2.2.2干燥磨好后把混合浆料置于干燥箱中烘干，10h后取出，用研钵研磨，过80目筛以备用。表2-4 实验配方序号C%SiC/gC/g乙醇/mL水/mLB4C/gDarvanc/g油酸/ml磨介1#0300019510530.936002#102703019510530.936003#152554519510530.936004#202406019510530.936002.2.3 成型本实验采用干压法制备C/SiC复合陶瓷的坯体。具体步骤为：将称量好的粉料倒入金属压模中，震动压平后，把金属模放在干压机压头下，然后以16吨的压力通过压机压头进行单向加压，保压30秒后进行脱模。将试样进行编号,用游标卡尺测量其尺寸，用电子称测量其重量并记录以上数据。压制50mm×50mm的方块，每份料压制4块，重量为30g/块（加粉30g）。用塑料膜将试样包裹，按实验室默认条件加压、保压后取出，要注意随时编号，以免混淆。2.2.4 样品烧结将C/SiC复合陶瓷的坯体置于石墨坩埚，素坯之间依次用石墨纸隔开以防止烧结过程样品之间相互粘结。用氩气作为保护气，按下图设定的工艺烧结，在1000以下用热电偶测温人工控制升温速率，在1000以上用红外进行测温，用预设的程序进行自动控制烧结。用游标卡尺称量各组烧结体的长、宽、高，并用电子天平称量其质量，记入表格。具体烧结工艺见图1-1。2.2.5 密度测量（阿基米德排水法）先用分析天平称量各式样干重，再测其湿重，将数据记入表格；具体计算公式见公式2-1： （水=1g/cm3） （2-1）在测量中应该注意的事项有：（1）不要让试样表面产生气泡；（2）测量湿重从水中取出要使天平归零；（3）测量中不要碰实验台，应尽量保持安静；（4）如果试样体表的气泡过多，则必须将试样置于蒸馏水中煮沸半小时后再测定；（5）实验仪器用完恢复原貌，打扫实验室卫生。2.2.6 试样的磨切(1) 将试样在平面磨床上进行加工，使其表面平整。在此过程中应注意：a.将试样平放在垫片上；b.在磨得过程中，由于试样的硬度不同，应注意下刀尺寸，防止将刀口和试样损坏。(2) 用划片切割机将块切为标准试样，即3mm×4mm条状，用以作抗弯强度。在切割的过程中应注意：a.将试样平行的粘在平台上；b.为保护试样，下刀应尽量慢；c.根据试样调整切割速度，以免损坏仪器及试样；d.若工作时间过长，导致电机过热，为保护电机，应适当使其停止工作。在切割的过程中应注意：a.将试样平行的粘在平台上；b.为保护试样，下刀应尽量慢；c.根据试样调整切割速度，以免损坏仪器及试样；d.若工作时间过长，导致电机过热，为保护电机，应适当使其停止工作。2.2.7力学性能检测（1）抗弯强度的测定：抗弯强度的测定：抗弯强度测试在万能材料试验机上进行，标准试样尺寸为3 mm×4 mm×36 mm，采用三点弯曲法测量，跨距为30mm，加载速率为0.5mm/min，每个数据测试4根试条，然后取平均值。（2）硬度和断裂韧性的测定：使用多能磨抛机将试样进行抛光，使其成镜面状。然后通过图像处理维氏硬度计测量试样的微观硬度。2.2.8 机加工测试（1）用碳钢钻头对陶瓷进行打孔实验，计时20s，手工施力打孔，并对现象予以描述，评判不同含量陶瓷钻孔加工的难以程度。注：实验现象注意观察钻孔孔径大小是否均匀，加工表面是否光滑，钻孔粉末是否均匀细腻。（2）运用模糊数学理论，以材料的物理、力学性能为依据，提出了一种对可加工陶瓷材料可加工性进行综合评判的方法。第3章 结果与讨论3.1实验结果分析3.1.1 C/SiC复相陶瓷的XRD物相组成分析图3-1为C/SiC复合陶瓷烧结样品粉末的XRD图。从图中可以看出，加入碳后，在2=26.30处，样品的XRD中出现了碳的特征峰。此外，通过与标准PDF卡片对比后发现，在图中能找到29-1129（-SiC）和29-1131（-SiC）的三强峰，说明烧结后的样品出现了-SiC和-SiC两种晶型，即SiC烧结后发生了晶型转变，并有部分保留到了常温。而且在加入碳后，与纯SiC相比，样品的-SiC峰变强。这可能是加入碳能够促进-SiC向-SiC转变。注：所使用的碳化硅原粉的主要晶相是-SiC。3.1.2 C/SiC复相陶瓷的显微结构分析图3-2为不同含碳量C/SiC复相陶瓷的断口表面的SEM照片。 (a)纯SiCSEM照片 （b）含碳10%的C/SiC SEM照片