碳化硅水泥基复合材料力学性能研究

2022-11-03李佩枫卢欢欢

现代工业经济和信息化 2022年9期

李佩枫，卢欢欢

（辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001）

引言

碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性好良好和抗冲击等特性。碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料[1]。碳化硅不仅可以增强水泥基复合材料的力学性能，还可以利用碳化硅特性定向增强水泥基材料辐射防护能力[2]。但由于碳化硅化学性质稳定，不参与水泥水化反应，碳化硅水泥基复合材料相关的报道并不多。

1 实验部分

1.1 实验材料

首先考虑碳化硅颗粒级配问题，既要满足水泥骨料级配要求来保证试样强度，又要有足够的比表面积，使颗粒表面有足够的SiO2薄膜与水泥水化产物反应，锚固在水泥中。本实验采用河北镐成材料科技有限公司生产的纯度为99.9%碳化硼颗粒，粒径为0.15～0.18 mm。

其次选择合适时间、温度以及环境，碳化硅氧化分为活性氧化和钝性氧化。蒸汽压力，蒸汽流速和组成对碳化硅动力学有一定影响[3]普通条件下（大气氛围下1 000～2 000 ℃），碳化硅颗粒会产生致密牢固的SiO2薄膜，阻止进一步的反应，称为活性氧化。在特殊条件下，如超高温及很低的氧气气氛条件下，碳化硅表面形成挥发性SiO2，使SiO2被消耗腐蚀，称为钝性氧化[4]。将颗粒放置于高纯刚玉干锅中，在900℃，1 000 ℃，1 100 ℃普通大气气氛条件下，进行5 h高温氧化处理。最后统一进行随炉冷却。砂子采用厦门艾思欧公司生产的ISO 标准砂，1 350 g/袋±5g/袋。实验采用诸城市杨春水泥有限公司，普通硅酸盐42.5水泥。

1.2 实验仪器

本实验采用沈阳通用电炉制造有限公司生产的箱式电阻炉，型号为SX-12-12。JCM-6000plus Neo-Scope 台式扫描电子显微镜进行观测。EDS（Energy Dispersive Spectrometer）X 射线能谱仪进行元素分析。双杠式电动试验机进行力学性能的测试。

1.3 实验步骤

先将碳化硅颗粒放置在坩埚中，置于不同温度的电阻炉中进行5 h 的高温氧化。氧化的温度分别为900℃、1 000 ℃以及1 100 ℃。利用SEM电子显微镜观察颗粒表面二氧化硅薄层，选择出氧化效果最好的碳化硅颗粒。分别将未处理的碳化硅颗粒和氧化效果最好的碳化硅颗粒，按照砂子的1%，3%，5%，7%以及9%的质量分数，加入到水泥中。依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，按照水灰质量比为1∶2，制成标准水泥砂浆试件（40 mm×40 mm×160 m），并在混凝土标准养护室，温度标准为20℃±2℃，相对湿度标准为95%以上条件下，进行28 d 养护。碳化硅颗粒氧化5h 后的SEM扫描电镜图如图1 所示。

由图1 SEM扫描电镜分析，在大气气氛条件下高温灼烧5 h，900 ℃的碳化硅颗粒表面变化不明显，但随着温度的提升（1 000 ℃、1 100 ℃条件下），碳化硅表面形貌改变逐渐明显，生成的薄膜变厚，保护层变得致密均匀。表1 中EDS 能谱分析印证了上述电镜结果，900 ℃条件下，由于温度没达到碳化硅高温氧化的温度，O 元素含量变化不明显，但是温度达到1 000 ℃后，碳化硅开始发生氧化，O 元素重量的提升说明颗粒表面的薄膜是SiO2氧化层。故实验最终选择1 100 ℃条件下高温氧化5 h 的碳化硅颗粒，并根据表2 进行实验配比。

表1 EDS 能谱分析

表2 碳化硅水泥砂浆试件编号表

2 结果与讨论

2.1 分析数据

由表3、表4、图2 分析可知：随着碳化硅取代砂率的提高，28 d 试件的抗折强度与抗压强度，先增大后减小。在S 的实验组中，S-3 相较于空白组抗折强度提高了42.29%，抗压强度提高了29.04%。在SO 实验组中，SO-3 相较于空白组抗折强度增加了57.3%，抗压强度提高了27.14%。且在相同的掺量下，氧化后的碳化硅作为添加剂，会更好的提升复合材料的力学性能。