SiC基陶瓷作为高温玻璃夹具材料的研究毕业设计.docx

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SiC基陶瓷作为高温玻璃夹具材料的研究毕业设计

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

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

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日期：

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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：

①烧结后的C/SiC复相陶瓷中的SiC发生了晶型转变，并且α-SiC比β-SiC的结晶度更好。

②在含碳量为0～20%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。

③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。

④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

ABSTRACT

Inthispaper,wemainlystudythatthefeasibilityoftheSiliconCarbideMatrixceramicmaterialsasthehigh-temperatureglassfixture.theceramicsampleofcarbonparticlesmodifiedsiliconcarbideceramicmatrixcomposite（Cp/SiC）wassynthesizedviamechano-chemicalcombinationofpressurelesssinteringandcharacterizedbyXRDandSEM.ThenweanalysedthatthedifferentcarboncontentofC/SiCceramicsinteredhadaninfluenceontherateofbodyshrinkage,density,bendingstrength,microhardness,fracturetoughnessandmachinabilitymechanicalproperties.Atthesametime,weestablishedthefuzzycomprehensiveevaluationmodelthroughthefuzzymathematicaltheory.andtrytopredictthemachinabilityofceramicviathephysicalandmechanicalproperties,suchasthefracturetoughness,hardnessandbendingstrengthandsoon.Theresultswereasfollows:

①Thesiliconcarbide’crystaloftheC/SiCcompositeceramicshastransformed,andthecrystallinityofα-SiCisbetterthanβ-SiCaftersintering.②whenthecarboncontentis10%,themicrostructureofC/SiCcompositeceramicsisthemostdense,andthecombinationofcarbonandsiliconcarbideisbetterintherangeof0to20%withinthestudyarea.③Withtheincreaseofcarboncontent,thedensityofC/SiCsintered,therateofvolumetricshrinkage,andbendingstrengthallgraduallydecreased.④Withtheincreaseofcarboncontent,themachinabilityofCp/SiCgraduallystrengthened.

Keywords:

Cp/SiC，High-temperatureglassfixture，machinabilitymechanicalproperties

第一章绪论

1.1SiC陶瓷材料概述

1.1.1SiC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900℃～1100℃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500～1000个周期；

（6）力学性能：

抗弯强度为100MPa～180Mpa，满足强度要求。

1.2.3SiC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100Ω·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700～1000MPa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2~3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2～2.5um、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JohnPatten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-υ2），平面应变状态；E′=E，平面应力状态；υ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α[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、α-Si3N4和β-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α-Si3N4晶粒；颗粒状α-Si3N4和柱状β-Si3N4结晶体；纯柱状β-Si3N4结晶体。

实验表明：

纯柱状β-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β-Si3N4和α-Si3N4Hv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，σf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