氮化硅基陶瓷复合材料凝胶注模成型工艺研究

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本论文研究氮化硅基复相陶瓷材料凝胶注模成型工艺,从工艺设计的角度研究凝胶聚合过程、料浆制备以及坯体干燥等问题,寻求一条适用于非氧化物,尤其是适用于包括反应烧结氮化硅和液相烧结氮化硅基陶瓷材料制备的凝胶注模成型的技术路线,并对其中机理性的问题作深入的探讨。论文的主要工作及创新点包括以下几个方面:(1)以丙烯酰胺体系作为凝胶体系,研究该体系聚合过程的反应动力学,探讨引发剂和催化剂对聚合过程的作用机理,根据试差法得到聚合反应速率方程。综合考察单体与引发剂浓度对聚合反应速率以及聚合程度的影响。研究结果表明,聚合速率与引发剂浓度的平方根、单体浓度成正比;(2)以聚丙烯酸铵(PAA-NH4)作为分散剂,以聚乙二醇400(PEG400)为增润剂,采用球磨法制备了固相含量高达60% (vol),粘度低于1Pa·s,高稳定性的氮化硅料浆。研究了PAA-NH4对料浆稳定性的影响,探讨了PEG400在颗粒表面的吸附特性,以及提高颗粒润湿性的效果。根据液相中颗粒间以相切形式堆积的假设,建立了双球模型,解释了增润剂对于氮化硅料浆流变学性质的影响机理;(3)本论文采用浸泡法对金属硅粉进行表面改性,解决金属硅粉料遇水起泡和不易润湿的问题,同时选择合适的分散剂,采用高速分散工艺制备具有触变性的料浆。通过粘度法测试分散剂在颗粒表面的吸附等温线,研究其吸附状态,建立了触变网络模型,分析料浆流动过程中内部网络经历断裂-调整-重建的变化历程,解释了分散剂在料浆触变过程的作用机理;(4)以PAA-NH4和聚硅氧烷S-17为复合分散剂,采用球磨和高速分散相结合的工艺制备氮化硅-硅粉-烧结助剂复合料浆,以S-17作为料浆除泡剂,以达到工艺简单,同时具有较佳的除泡效果,同时利用S-17降低坯体内部液相表面张力,从而降低颗粒间毛细管力的作用,解决了坯体在干燥过程中的开裂问题;(5)根据颗粒堆积理论,以石英砂为粗颗粒粉料,氮化硅为细颗粒粉料,同时以纳米氮化硅作为超细粉,研究二元以及三元级配颗粒对料浆流变性和稳定性的影响。结果表明,通过掺入少量纳米氮化硅可以提高料浆稳定性,解决了以超细粉为原料制备料浆时不容易获得高固相含量的问题;(6)对坯体性能进行了表征,坯体未排胶前具有较高的强度(20MPa),当固相含量达到60vol%时,坯体的干燥收缩率接近为零,氮化硅坯体在排胶后仍然具有均匀紧密的内部结构。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第11-39页
    1.1 前言第11页
    1.2 氮化硅陶瓷的研究进展第11-16页
        1.2.1 氮化硅结构第11-13页
        1.2.2 氮化硅材料性能第13-15页
        1.2.3 氮化硅材料在应用中的存在问题和发展方向第15-16页
    1.3 陶瓷材料胶态成型分类简介及陶瓷料浆稳定机理第16-26页
        1.3.1 陶瓷材料胶态成型分类简介第16-20页
        1.3.2 陶瓷料浆稳定机理第20-26页
    1.4 凝胶注模成型工艺的研究第26-39页
        1.4.1 凝胶注模成型工艺发展概况第26-27页
        1.4.2 凝胶注模成型原理与关键工艺第27-29页
        1.4.3 凝胶注模成型用凝胶体系分类第29-32页
        1.4.4 凝胶注模成型工艺的应用进展第32-35页
        1.4.5 凝胶注模成型工艺存在的问题及解决途径第35-39页
第二章 本论文研究内容与研究方法第39-42页
    2.1 研究内容第39-40页
    2.2 技术路线第40页
    2.3 实验与测试方法第40-42页
第三章 凝胶注模体系聚合机理及动力学分析第42-55页
    3.1 前言第42页
    3.2 实验过程和实验方法第42-43页
        3.2.1 原料和化学试剂第42-43页
        3.2.2 凝胶注模体系聚合反应完成时间的测定第43页
        3.2.3 凝胶注模体系聚合反应完成程度的测定第43页
    3.3 实验结果和分析第43-53页
        3.3.1 凝胶注模体系中引发剂对反应速率的影响第43-46页
        3.3.2 凝胶注模体系中催化剂对引发速率的影响第46-48页
        3.3.3 凝胶注模体系中总聚合反应速率的影响因素分析第48-53页
    3.4 本章小结第53-55页
第四章 高性能氮化硅料浆的制备及流变性研究第55-76页
    4.1 前言第55页
    4.2 实验过程和实验方法第55-58页
        4.2.1 原料和化学试剂第55-56页
        4.2.2 氮化硅料浆的制备第56页
        4.2.3 性能测试第56-58页
    4.3 实验结果和分析第58-75页
        4.3.1 氮化硅粉体表面化学健分析第58-59页
        4.3.2 晶须的加入对料浆性能的影响第59-62页
        4.3.3 分散剂作用研究第62-66页
        4.3.4 增润剂作用研究第66-75页
    4.4 本章小结第75-76页
第五章 高性能金属硅粉料浆的制备及流变性研究第76-93页
    5.1 前言第76页
    5.2 实验过程和实验方法第76-78页
        5.2.1 原料和化学试剂第76-77页
        5.2.2 硅粉料浆的制备第77页
        5.2.3 性能测试第77-78页
    5.3 实验结果和分析第78-91页
        5.3.1 硅粉表面改性第78-79页
        5.3.2 高速分散对料浆流变性的影响第79-85页
        5.3.3 分散剂对料浆触变性的影响第85-91页
    5.4 本章小结第91-93页
第六章 复合料浆的制备第93-109页
    6.1 前言第93页
    6.2 实验过程和实验方法第93-95页
        6.2.1 原料和化学试剂第93-94页
        6.2.2 复合料浆的制备第94页
        6.2.3 性能测试第94-95页
    6.3 实验结果和分析第95-107页
        6.3.1 复合料浆稳定性研究第95-97页
        6.3.2 表面活性剂(S-17)对料浆流变性能的影响第97-103页
        6.3.3 S-17 对料浆消泡作用研究第103-107页
    6.4 本章小结第107-109页
第七章 颗粒级配的研究第109-122页
    7.1 前言第109-111页
    7.2 实验过程和实验方法第111-112页
        7.2.1 原料和化学试剂第111页
        7.2.2 料浆的制备第111页
        7.2.3 性能测试第111-112页
    7.3 实验结果和分析第112-121页
        7.3.1 二元颗粒级配对料浆性能的影响第112-116页
        7.3.2 三元颗粒级配对料浆性能的影响第116-121页
    7.4 本章小结第121-122页
第八章 坯体干燥过程及其性能研究第122-134页
    8.1 前言第122页
    8.2 实验过程和实验方法第122-123页
        8.2.1 原料和化学试剂第122-123页
        8.2.2 试样的制备第123页
        8.2.3 性能测试第123页
    8.3 实验结果和分析第123-133页
        8.3.1 关于坯体干燥过程的分析第123-127页
        8.3.2 S-17对坯体干燥开裂的改善作用研究第127-129页
        8.3.3 关于坯体性能的分析第129-132页
        8.3.4 坯体排胶前后断面微观形貌分析第132-133页
    8.4 本章小结第133-134页
第九章 结论第134-136页
创新点第136-137页
参考文献第137-148页
发表论文和参加科研情况第148-150页
致谢第150页
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