中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

引  言

干氣密封是以氣體動壓軸承為基礎(chǔ)，通過對機械密封進行根本性改進而發(fā)展起來的一種新型非接觸式密封。干氣密封的極限速度高，密封性能好，壽命長,不需密封油系統(tǒng)，功率消耗少，操作簡單并且運行維護費用低，已廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)。干氣密封的端面線速度較高，離心力、介質(zhì)壓力等綜合作用產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變使動靜環(huán)在受壓和運轉(zhuǎn)狀態(tài)下易發(fā)生一定程度的機械變形和熱變形，且由于動靜環(huán)之間的氣膜厚度僅有幾微米，微小的變形就可能對密封效果和可靠性產(chǎn)生嚴重影響。因此，干氣密封對摩擦副密封材料提出了較高要求。

SiC陶瓷是一種具有高強度、高硬度、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨損、抗熱震的高性能特種陶瓷材料。然而，當(dāng)SiC陶瓷密封件之間進行密封摩擦?xí)r由于其高硬度特性，干氣密封啟停時兩工作面發(fā)生黏合，摩擦因數(shù)增大，端面溫度升高,導(dǎo)致局部發(fā)熱引起熱震，摩擦副之間抱死黏合,加劇了端面磨損，大大縮短密封件使用壽命,致使密封件提前失效。因此,需要對SiC陶瓷進行改性，研究表明，SiC陶瓷基體中均勻分布的納米顆粒、晶須、纖維等可以通過裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、釘扎裂紋、拔出增韌等方式抑制SiC陶瓷內(nèi)部裂紋的擴展，從而提高其力學(xué)性能。 

目前SiC陶瓷的燒結(jié)方法主要有反應(yīng)燒結(jié)和無壓燒結(jié)。其中，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷的綜合性能較差，無法滿足干氣密封要求，而無壓燒結(jié)碳化硅的硬度、顯氣孔率、抗彎強度、抗壓強度等性能優(yōu)異，是干氣密封摩擦副的理想材料。無壓燒結(jié)又分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，液相燒結(jié)通過利用能在高溫作用下形成共熔液相的多元低共熔氧化物作為燒結(jié)助劑，能使陶瓷粉體的傳質(zhì)方式由擴散變?yōu)轲べ|(zhì)流動,相較于固相燒結(jié)可以更大程度地降低陶瓷致密化所需的能量，更符合國家提出的節(jié)能減排的倡議。因此，液相燒結(jié)SiC陶瓷成為了SiC陶瓷密封材料領(lǐng)域的重要研究方向。 

為此，作者以納米TiN粉、SiC晶須(SiCw)為增強相，采用液相燒結(jié)法制備了碳化硅復(fù)合陶瓷，研究了不同燒結(jié)溫度、不同增強相添加質(zhì)量分數(shù)下復(fù)合陶瓷的燒結(jié)性能、顯微組織和力學(xué)性能，揭示了增強相的協(xié)同增強機制，以期為液相燒結(jié)SiC陶瓷在干氣密封中的應(yīng)用提供參考。

1、 試樣制備與試驗方法 

試驗原料包括微米 α-SiC粉(平均粒徑為0.5μm, 純 度大于99%) 、納米氮化鈦粉 (Nano- TiN，平均粒徑為20nm，純度為 97%) 、微米碳化硅晶須(SiCw ,長徑比大于 50,純度為 95%) 、Al2O3 和 Y2O3 燒結(jié)助劑(生成釔鋁石榴石 YAG) ,均由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供 ,分析純;分散劑為四甲基氫氧化銨和聚乙二醇(PEG) (平均相對分子質(zhì)量為2 000)，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，分析純;黏結(jié)劑為聚乙烯醇(PVA), 由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，分析純;埋燒料為石墨(配位聚合物膠體)和Al2O3，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供,分析純。按照增強相(Nano-TiN、SiCw)質(zhì)量分數(shù)分別為 0,2.5%，5.0%，10.0%(二者質(zhì)量比為1∶1)，燒結(jié)助劑(Al2O3、Y2O3)質(zhì)量分數(shù)為10%(二者質(zhì)量比為4.7∶5.3)進行配料，按照圖1所示工藝流程燒結(jié)制備SiC復(fù)合陶瓷。經(jīng)噴霧造粒得到的造粒粉粒徑為20~50μm。在Y11-63T型四柱液壓機上先進行雙面壓制，壓力為100MPa，時間為5min，再進行等靜壓壓制，壓力為250MPa，時間為5min。將壓制成型的素坯埋至埋燒料中以抑制燒結(jié)助劑高溫揮發(fā)，然后裝入真空石墨爐中，在氬氣(純度為99.9%)氣氛中進行真空無壓液相燒結(jié)，先以10℃ ·min-1的升溫速率升至1950℃，保溫30min，再以相同的速率分別降至不同燒結(jié)溫度(180,1850,190,1950℃)，保溫1h，隨爐冷卻。

采用阿基米德法測定素坯和燒結(jié)體的密度，并計算得到相對密度。采用 HitachiS-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察陶瓷造粒粉的微觀形貌以及經(jīng)加工、拋光后的燒結(jié)陶瓷的表面和自然斷裂形成的斷口形貌。采用CMT5205型電子萬能試驗機進行三點彎曲試驗，跨距為20mm，下壓速度為0.5mm·min-1。采用RigakuD/max-RA型X射線衍射儀分析物相組成，銅靶，靶電壓為40kV，工作電流為80mA，掃描范圍為10°~80°，掃描速率為4(°)·min-1。采用HV-5型小負荷維氏硬度計測試顯微硬度，載荷為98N，保載時間為15s，并采用壓痕法測試斷裂韌度KIC，計算公式為 

式中:H為材料的硬度，HV;E為材料的彈性模量，MPa;l,a分別為壓痕裂紋長度、壓痕對角線半長，c=l+a。 

2、試驗結(jié)果與討論

2. 1  造粒粉的微觀形貌

由圖2可見，隨著增強相添加量的增加，造粒粉逐漸由圓球形變?yōu)闄E球形，同時出現(xiàn)了向球心內(nèi)凹的現(xiàn)象，但整體形狀變化不大。這是因為增強相的加入會對粉體干燥過程中的水分揮發(fā)產(chǎn)生影響，從而降低粉體的流動性和成型性能。綜合來看，當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)在 5. 0% 以下時，造粒粉形貌變化相對較小，對最終的粉體成型影響不大。另外，圖上圈出部分為棒狀微米SiCw，可見增強相均勻分布在造粒粉中，這為協(xié)同增強提供重要條件。

2.2  SiC復(fù)合陶瓷的燒結(jié)性能

由圖3可見：隨著增強相添加量增加，1 900℃燒結(jié)SiC復(fù)合陶瓷的相對密度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但變化幅度不大，當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)為2.5%，5.0%，10. 0%時，燒結(jié)陶瓷的相對密度分別為96.47%，94.68% ，94.19%。這是因為增強相nano-TiN、SiCw與SiC基體的結(jié)合性較好，并且增強相尺寸較小，所以添加少量的增強相能夠填補陶瓷基體中的缺陷與空隙，從而在一定程度上提高致密性能；但是增強相的添加會抑制素坯在燒結(jié)過程中的收縮，增加陶瓷內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致相對密度下降。

由圖4可見：不同增強相添加量燒結(jié)陶瓷的物相均主要為6H-SiC，主晶相相同，此外還有少量的3C-SiC、AlN、YAG。AlN與SiC形成的固溶體可以促進SiC陶瓷的燒結(jié)，Al2O3和 Y2O3高溫下反應(yīng)生成的液相YAG可以加速粒子間的傳質(zhì)過程，大幅度降低 SiC陶瓷的燒結(jié)溫度。

2.3  SiC復(fù)合陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)

由圖5可見：當(dāng)燒結(jié)溫度為1800℃時，陶瓷斷面出現(xiàn)氣孔和不規(guī)則空洞，表明陶瓷并未燒結(jié)完全；當(dāng)燒結(jié)溫度升至1900℃時，氣孔和空洞幾乎消失，表明陶瓷已經(jīng)燒結(jié)完全，有較高的致密程度；當(dāng)燒結(jié)溫度為1 950℃時，斷面出現(xiàn)空洞，可能是液相揮發(fā)所致。當(dāng)燒結(jié)溫度低于1950℃時，陶瓷晶粒平均尺寸在1μm左右，當(dāng)燒結(jié)溫度為1950℃時，晶粒平均尺寸約為2μm，晶粒長大。

由圖6可見：1900℃燒結(jié)溫度下，與未添加增強相相比，添加增強相SiC陶瓷的晶粒尺寸明顯變小，說明增強相對SiC陶瓷晶粒生長有抑制作用；不同增強相添加量陶瓷的斷面微觀形貌基本相同，晶粒結(jié)構(gòu)排列緊密；當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)分別為5.0%, 10.0%時，陶瓷中出現(xiàn)了一些尺寸不一的空洞，這可能是斷裂時SiCw被拔出后留下的。SiCw拔出可以消耗裂紋擴展能量，佐證了增強相對陶瓷的增韌作用。

由圖7可見：菱形壓痕4角處的裂紋并沒有沿對角線向外直線擴展，而是發(fā)生了比較明顯的偏折，裂紋偏轉(zhuǎn)角度甚至接近 90°。這主要是因為添加的增強相釘扎在基體中會使裂紋無法完全沿著應(yīng)力方向擴展，從而發(fā)生裂紋偏折。裂紋擴展路徑的延長無疑會大大提升復(fù)合陶瓷完全斷裂所需的能量，加上 SiCw在陶瓷基體中起到的橋聯(lián)、拔出等作用 ，可以進一步遏制裂紋的擴展，最終達到增韌增強的目的。但增強相添加量過多，也會導(dǎo)致增強相與基體結(jié)合性不佳，容易產(chǎn)生氣孔、內(nèi)部缺陷等問題，反而會影響復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能。綜上所述，增強相的最佳添加質(zhì)量分數(shù)為5. 0%。

2.4  SiC復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能

由圖8可見：隨著燒結(jié)溫度的提高，添加質(zhì)量分數(shù)5.0%增強相SiC復(fù)合陶瓷的硬度和抗彎強度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，硬度在1850℃燒結(jié)時最大，為17. 38GPa，抗彎強度在1 900℃燒結(jié)時最大，為429. 51MPa；斷裂韌度則呈先下降后上升的趨勢 ，燒結(jié)溫度為1950℃時最大，為4. 38MPa·m1/2, 燒 結(jié) 溫 度 為  1 900 ℃ 時 略 小 于 最 大 值 , 為4. 32MPa·m1/2。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 800℃時，陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)較多氣孔和空洞，存在燒結(jié)不完全且致密性差的問題，因此硬度和抗彎強度較低，韌性較差 ;而當(dāng)燒結(jié)溫度提升至 1 850, 1 900 ℃時，隨著液相YAG傳質(zhì)化效率的提高，陶瓷的致密性能得到明顯改善，因此硬度和抗彎強度也有了較明顯的提升；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至 1950℃時由于溫度過高，傳質(zhì)過程加速，晶粒出現(xiàn)異常長大， 因此其硬度和抗彎強度反而降低 。綜上可知，選擇1900℃作為燒結(jié)溫度，不僅陶瓷致密性較高，晶粒尺寸較小 ，還能在獲得高強度高韌性的同時，硬度不受過多影響。

由圖9可見：在1900℃下燒結(jié)后，SiC復(fù)合陶瓷的硬度隨著增強相添加量的增加而下降，當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)為10%時最小，為 16.34GPa，未添加增強相碳化硅陶瓷的硬度最大，為17.82GPa，變化幅度 (9%)不大 ；抗彎強度則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)為5. 0%時最大，為427. 37MPa，未添加增強相碳化硅陶瓷的抗彎強度最?。粩嗔秧g度隨增強相添加量的增加呈明顯上升的趨勢，當(dāng)增強相質(zhì)量分數(shù)為10%時最大，為4. 28MPa·m1/2，增強相質(zhì)量分數(shù)為5. 0%時為4. 22MPa·m1/2。增強相對SiC復(fù)合陶瓷具有增韌作用，但過量添加反而會使SiC陶瓷基體收縮率下降，基體中缺陷增加，結(jié)構(gòu)疏松，致密性能下降，反而導(dǎo)致材料的硬度和抗彎強 度均下降。綜上所述 ，1 90℃下燒結(jié)增強相質(zhì)量分數(shù)為5.0%的 SiC復(fù)合陶瓷具有最佳的綜合性能，相對密度為94.68%，表面顯微硬度為17.14GPa，抗彎強度為429.51MPa，斷裂韌度為4.32MPa·m1/2。 

3、結(jié)  論

(1) 水基陶瓷料漿經(jīng)噴霧干燥造粒后，增強相納米TiN和SiC晶須在造粒粉中分布均勻，為其協(xié)同增強提供重要條件；不同增強相添加量下燒結(jié)的SiC復(fù)合陶瓷物相均主要為6H-SiC和少量的3C-SiC、AlN、YAG。

(2) 當(dāng)燒結(jié)溫度升至1900 ℃時，添加質(zhì)量分數(shù)5. 0%增強相SiC復(fù)合陶瓷燒結(jié)完全，相對密度較高，晶粒平均尺寸較小。與未添加增強相相比，添加增強相后 SiC復(fù)合陶瓷晶粒尺寸減小，晶粒結(jié)構(gòu)排列緊密。

(3) 隨著燒結(jié)溫度的升高，添加質(zhì)量分數(shù)5. 0%增強相SiC復(fù)合陶瓷的硬度和抗彎強度均先增大后減小，斷裂韌度則先減小后增大；隨著增強相添加量的增加，陶瓷硬度下降，抗彎強度先增大后減小，斷裂韌度明顯增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 900℃，增強相質(zhì)量分數(shù)為5.0%(納米 TiN和SiC晶須質(zhì)量比為1∶1) 時，SiC復(fù)合陶瓷具有最佳綜合性能，相對密度為 94.68%，抗彎強度為429.51MPa，硬 度為17.14GPa，斷裂韌度為4. 32MPa·m1/2。