1、能源和環(huán)境是制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大關鍵問題。陶瓷換熱器能夠顯著提高能源利用效率，降低能源消耗，減少污染排放，在化工、冶金、石油和電力等領域具有廣闊的應用前景。碳化硅(Silicon Carbide，SiC)陶瓷具有熱導率高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被認為是制備陶瓷換熱器，特別是用于高溫、強酸堿腐蝕及強磨損等惡劣工況換熱器較為理想的材料。本論文的目的是通過配方組成和制備工藝的研究提高SiC陶瓷的熱導率，探討SiC

2、陶瓷的導熱機理，解決換熱器設計和制造中的關鍵技術難題，促進SiC陶瓷換熱器的工業(yè)化應用。
　　本論文分別采用反應燒結(jié)、無壓液相燒結(jié)和無壓固相燒結(jié)方法制備SiC陶瓷材料，研究了配方組成、燒結(jié)制度等對材料力學性能、電導率、熱導率及微觀結(jié)構的影響，優(yōu)化了制備高熱導率SiC陶瓷的工藝參數(shù)，探討了SiC陶瓷導熱機理。在此基礎上，依據(jù)實際工況，創(chuàng)新結(jié)構設計，制備了SiC陶瓷換熱器，并成功用于冷軋板生產(chǎn)線水蒸氣與濃鹽酸的熱交換。主要研究結(jié)論如下

3、:
　　1)采用正交試驗方法研究了SiC微粉顆粒級配、碳(C)含量和成型壓力對反應結(jié)合SiC(RBSC)陶瓷性能、物相組成及微觀結(jié)構的影響。研究結(jié)果表明:C含量和成型壓力對RBSC陶瓷性能有較大影響;隨著C含量和成型壓力的增加，RBSC陶瓷試樣中游離Si含量逐漸降低，密度、熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度逐漸增大。但是，當C含量和成型壓力超過一定數(shù)值時，反而導致滲Si困難，試樣內(nèi)出現(xiàn)殘留C，使力學性能和熱導率降低。當平均粒徑為

4、7.0和13.0μm的SiC微粉的質(zhì)量比6∶4，C含量20 wt.％，成型壓力90 MPa時，1650℃保溫120 min燒結(jié)制得的RBSC試樣密度最大達到3.13 g/cm3，熱導率最大為124W/(m·K)，顯微硬度為27 GPa，彎曲強度為425MPa，斷裂韌性為5.5 MPa·m1/2。
　　2)以Al2O3-Y2O3為基礎燒結(jié)助劑，并分別加入La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3組成復合氧化物助劑，研

5、究了燒結(jié)助劑組成及含量、燒結(jié)溫度和氣氛對無壓液相燒結(jié)SiC陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明:氬氣氣氛下制得試樣的性能比氮氣更好;氬氣氣氛下，當Al2O3-Y2O3(摩爾比5∶3)添加量相同時，在1750～1900℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度提高，試樣的相對密度、熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當添加8 wt.％的Al2O3-Y2O3為液相助劑，燒結(jié)溫度1850℃時，相對密度最大達到97.47％，熱導率最大達到72 W

6、/(m·K)，彎曲強度和斷裂韌性最大分別為576 MPa和7.6 MPa·m1/2。在Al2O3-Y2O3中分別加入少量La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3組成復合氧化物助劑，沒有對試樣的熱導率產(chǎn)生有利影響。
　　3)研究了C源及含量、B4C含量和燒結(jié)制度對無壓固相燒結(jié)SiC(SCBC)陶瓷試樣性能、物相組成及微觀結(jié)構的影響。研究結(jié)果表明:以液體酚醛樹脂(PF)為C源的試樣性能比碳黑的更好，在2.0～12.0

7、 wt.％范圍內(nèi)，隨著C含量增加，試樣彎曲強度、斷裂韌性、顯微硬度和熱導率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;隨B4C含量增加試樣性能有相同的變化趨勢;提高燒結(jié)溫度或延長保溫時間均有利于提高試樣力學性能和熱導率，但燒結(jié)溫度過高或保溫時間過長反而導致力學性能和熱導率的降低。優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和制備工藝為:8wt.％的PF，1wt.％的B4C，2100℃保溫60 min，氬氣氣氛無壓固相燒結(jié)。所制備材料的相對密度99.05％，維氏顯微硬度27 G

8、Pa，彎曲強度423MPa，斷裂韌性4.6 MPa·m1/2，熱導率113 W/(m·K)。
　　4)在優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和工藝基礎上加入石墨烯，研究了石墨烯加入量對試樣性能的影響。研究結(jié)果表明:在0～5.0 wt.％范圍內(nèi)，隨著石墨烯加入量的增加，試樣的相對密度逐漸降低，電導率逐漸增大，熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當石墨烯含量為2.0 wt.％時，熱導率達到最大值145 W/(m·K)，比不

9、含石墨烯的試樣提高了27％。
　　分別研究了添加AlN和TiB2對SCBC陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明:雖然AlN的熱導率遠高于TiB2，而且添加AlN試樣的致密度更高，但是，在燒結(jié)過程中，由于AlN與SiC反應形成低熱導率的固溶體，而TiB2與SiC不反應，使得添加AlN試樣的熱導率反而低于添加TiB2的試樣。
　　5)探討了SiC陶瓷導熱機理，研究了SiC陶瓷熱導率的影響因素。SiC陶瓷主要依靠晶格振動的格波導熱，即聲子

10、導熱。基于對SiC陶瓷熱導率影響因素的分析，建立了“聲子勢壘”數(shù)理模型，并用該模型定性地描述了不同SiC陶瓷的導熱過程。氣孔、雜質(zhì)和晶界等缺陷都可以視作聲子導熱的“勢壘”，聲子在傳輸過程中越過“勢壘”導致能量降低、數(shù)量減少，“勢壘”高度越大，對熱導率的影響也越大。RBSC陶瓷中，聲子導熱需要越過游離硅形成的“聲子勢壘”，游離硅含量越高，“勢壘”高度越大，對熱導率影響越大;液相燒結(jié)SiC陶瓷中，聲子導熱需要越過晶界液相形成的“聲子勢壘”，

11、液相組成越復雜，含量越高，“勢壘”高度越大，對熱導率影響越大;SCBC陶瓷中，聲子導熱需要越過B4C和C雜質(zhì)形成的“聲子勢壘”，并受到氣孔形成的“聲子勢壘”的影響;添加石墨烯的SCBCG陶瓷的導熱過程與SCBC陶瓷導熱過程相似，但石墨烯高的熱導率和電導率相當于“拓寬”了聲子傳輸?shù)耐ǖ?，因而提高了SCBCG陶瓷的熱導率。
　　6)通過對SiC陶瓷換熱管制備工藝的研究，制備了SiC陶瓷換熱管;通過換熱管壁厚對換熱效果影響及密封方式的研

12、究，確定采用同心圓扇形輻射分布的排管方式，以壁厚為3.5 mm、內(nèi)徑為18 mm的反應結(jié)合SiC陶瓷換熱管制備了用于加熱濃鹽酸的換熱器，分別采用“臺階孔-聚四氟乙烯橡膠套”相結(jié)合的密封結(jié)構和彈簧膨脹補償作用解決了SiC陶瓷管與陶瓷板之間、SiC陶瓷換熱器內(nèi)芯與金屬外殼之間的密封難題。該換熱器成功用于冷軋板生產(chǎn)線，應用結(jié)果表明:相同條件下，SiC陶瓷換熱器可將鹽酸加熱溫度由61℃提高到85℃，冷流體溫度效率比原來的石墨換熱器提高了77％。