添加Mg、Y氧化物对Fe-Mo/Si3N4金属陶瓷微观组织与性能的影响

提出在Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷中添加Mg、Y氧化物,在常压烧结条件下实现金属复合、晶须技术双重强韧化陶瓷,并研究了Mg、Y氧化物对Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷的微观组织与性能的影响.结果表明:添加Mg、Y氧化物的Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷,存在与Si_3N_4润湿性极好的金属Fe与MoSi_2相,颗粒状α-Si_3N_4转变成晶须条状β-Si_3N_4,烧结体致密且晶粒得到明显细化,各项性能得到大幅提升,实现了金属复合、晶须技术双重强韧化Si_3N_4陶瓷。     

晶界相预合成对 Si_3O_4 陶瓷显微结构和高温力学性能的影响

将 Si_3N_4原料预热处理以及预合成 Si_3N_4-Al_2O_3-Y_2O_3系的晶界相,两者按适当比例制得的坯体,经无压烧结得到相对密度>97%的 Si_3N_4烧结体。其高温抗弯强度达400MPa(1300℃下),比通常工艺(未经处理的)制得的强度相应提高约25%。用 SEM、TEM 对这种 Si_3N_4试样的显微结构进行了研究分析,解释了强度提高的原因。     

烧结温度对反应烧结氮化硅铁复合材料 物相组成及力学性能的影响

以硅铁粉、Fe-Si_3N_4粉末、钛铁矿粉为原料,采用自蔓燃法制备Si_3N_4-Fe_3Si复合材料。将Si_3N_4-Fe_3Si复合材料试样在1 650,1 700,1 750和1 800℃氮气气氛下进行烧结。采用X射线衍射、红外光谱分析、扫描电镜、维氏硬度等探究了烧结温度对Si_3N_4-Fe_3Si复合材料试样密度、孔隙率、显微结构、物相组成、力学性能的影响,并采用差示扫描量热法(DSC)探究了硅铁-钛铁矿混合物的燃烧过程。结果表明,烧结温度对氮化硅铁复合材料的显微结构、力学性能有显著的影响,随着烧结温度的升高,试样的密度、维氏硬度均增大,Si_3N_4-Fe_3Si复合材料的致密性增加;但弯曲强度和断裂韧性随着温度升高先增大后减小,在1 750℃达到最大值。在1 750℃时,试样的密度、维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为3.33 g/cm~3、9.85 GPa、331 MPa和8.5 MPa·m~(1/2)。弯曲强度提高了56%,断裂韧性提高了102%,表现出良好的抗弯强度和断裂韧性。在1 750℃时, Si_3N_4-Fe_3Si烧结试样主要物相为β-Si_3N_4、Y_2Si_2O_7、Fe_3Si和少量的Al_2O_3,完成了α-Si_3N4向β-Si_3N_4的变相,Fe_3Si在高温烧结条件下稳定性良好。     

多孔氮化硅陶瓷的研究进展及构效关系中的矛盾平衡

多孔氮化硅陶瓷(Si_3N_4-PC)在流体过滤器、催化剂载体、宽频透波材料、复合材料乃至组织工程等领域存在广阔的应用前景。近年来,Si_3N_4-PC的研究主要致力于发展多种方法以提高气孔率并优化孔形貌,从而改善渗透率和比表面积等重要参数。通常,不完全烧结法制得的Si_3N_4-PC气孔率仅40%,而模板复制法和直接发泡法制得的Si_3N_4-PC气孔率高达70%以上,但其力学性能明显恶化,耐压强度仅为10 MPa。通过调控烧结工艺、原料和烧结剂,生成大量纤维状和柱状的微观组织,可使Si_3N_4-PC弯曲强度提高至100 MPa以上,然而,气孔率却降至55%以下。此外,一些研究将挤出成形法、牺牲模板法与不同烧结工艺相结合,试图形成耦合孔结构以兼顾气孔率和力学性能,但效果不佳。当前研究中,Si_3N_4-PC的制备方法、孔结构和性能数据及其规律性缺乏梳理和总结,提高Si_3N_4-PC的综合性能遭遇瓶颈。实质上,气孔率和孔形貌是渗透率等参数的主要影响因素,而孔壁则是承受载荷的中心,孔壁的显微结构是Si_3N_4-PC力学性能的决定因素,并对比表面积等核心指标产生显著影响,而原料种类和高温过程是孔壁结构形成的基础和控制机制。针对这些基本问题,本文分析了近年来Si_3N_4-PC的制备及应用等研究工作,将目前Si_3N_4-PC的制备方法归纳为两类,即通过烧结形成气孔法与通过成形引入气孔法。前者包括不完全烧结法、相变烧结法、反应烧结法和碳热还原氮化法,后者包括挤出成形法、直接发泡法、模板复制法和牺牲模板法等;分析了这些方法制备Si_3N_4-PC的特点和不足;通过文献数据汇总标明了当前Si_3N_4-PC的气孔率和强度等性能水平;揭示气孔率-强度及孔径-比表面积等构效关系中的矛盾平衡是制约其综合性能的瓶颈。基于颗粒原料及工艺,Si_3N_4-PC的综合性能难以突破,若采用Si_3N_4晶须和纤维等新原料并结合新工艺,则能从原料基础层面开始构建孔结构,显著提升Si_3N_4-PC的性能,使其在反辐射导弹雷达罩和膜材料等高价值领域获得应用。     

SiC_W含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷力学及高温微波性能影响

以α-Si_3N_4粉、β-SiC_W为原料,Al_2O_3、Y_2O_3为烧结助剂,采用凝胶注模工艺制备了SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷材料,烧结温度为1 650℃,保温1.5h。研究了SiC_W加入含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的微观结构、力学及常温/高温微波吸收性能的影响。结果表明:随着SiC_W含量的增加,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都有先増后减的趋势,当含量为10wt%时,抗弯强度达到最大值505MPa,断裂韧性达9.515MPa·m1/2。常温介电常数在SiC_W含量为10wt%时,实部达最大值12,在12GHz最大吸收值为-21dB。高温介电常数随着SiC_W含量的增加有先增后减的趋势,在含量为10wt%时,实部达到最大值12.5。相比于纯Si_3N_4陶瓷,当SiC_W含量为10wt%时,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷在11.7GHz左右最大吸收可达-27dB,有效吸收频带(小于-5dB)为11.2~12.3GHz。     

(AlCrTiZrNb)N/Si3N4纳米多层膜的微观结构和力学性能研究

采用多靶磁控溅射系统,使用AlCrTiZrNb合金靶和Si靶制备了不同Si_3N_4厚度的(AlCrTiZrNb)N/Si_3N_4纳米多层膜,样品基底为单晶硅。通过X射线衍射仪(XRD)、高透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)和纳米压痕仪对样品进行微观组织的表征和力学性能的测量。实验结果表明,随着Si_3N_4层厚度的增加,样品的结晶度和力学性能均先增加后减小,XRD图谱中出现面心立方相结构。在Si_3N_4层厚度为0.5 nm时,(111)衍射峰强度达到最大值。说明薄膜结晶度最强,薄膜的硬度和弹性模量也达到最高值,分别为30.6,298 GPa。通过对样品的横截面的形貌观察,发现当Si_3N_4层厚度为0.5 nm时,多层膜的多层结构生长良好。在(AlCrTiZrNb)N层的模板作用下,Si_3N_4层从非晶态转变为面心立方结构,与(AlCrTiZrNb)N层之间形成共格外延生长结构,(AlCrTiZrNb)N/Si_3N_4纳米多层膜的强化可归因于两调制层之间形成的共格界面。     

颗粒级配对Si_(3)N_(4)w/Si_(3)N_(4)复合材料弯曲强度与介电性能的影响EI北大核心CSCD

为了获得一种弯曲和介电性能良好的氮化物陶瓷材料,本工作首先以氮化硅晶须(Si_(3)N_(4w))为原料,采用喷雾造粒工艺制备3种具有不同粒径分布的Si_(3)N_(4w)球形颗粒粉体,研究雾化盘转速对Si_(3)N_(4w)球形颗粒粉体粒径分布的影响。然后以喷雾造粒得到的Si_(3)N_(4w)球形颗粒为原料,采用干压法制备3种颗粒级配的Si_(3)N_(4w)预制体,研究颗粒级配Si_(3)N_(4w)预制体的孔径分布。采用化学气相渗透(CVI)和先驱体浸渍裂解(PIP)工艺在3种颗粒级配的Si_(3)N_(4w)预制体中进一步制备Si_(3)N_(4)基体,研究Si_(3)N_(4w)/Si_(3)N_(4)复合材料制备过程中的物相和微结构演变以及颗粒级配对Si_(3)N_(4w)/Si_(3)N_(4)复合材料的微结构、密度、弯曲强度和介电性能的影响。结果表明:3种颗粒级配的Si_(3)N_(4w)预制体均具有二级孔隙特征,其中小孔孔径均约为0.7μm,大孔孔径分别为45.2,30.1μm和21.3μm。在制备的3种颗粒级配的Si_(3)N_(4w)/Si_(3)N_(4)复合材料中,S13样品的颗粒级配效果最好,复合材料的弯曲强度达到81.59 MPa。此外,该样品的介电常数和介电损耗分别为5.08和0.018。良好的弯曲强度和介电性能表明制备的Si_(3)N_(4w)/Si_(3)N_(4)复合材料有望应用于导弹天线罩领域。     

纳米SiC纤维改性短切碳纤维增强Si_3N_4陶瓷介电响应及吸波性能

以甲基三氯硅烷为原料,采用催化化学气相沉积(CCVD)工艺在短切碳纤维(C_(fd))表面制备了纳米SiC纤维(nano SiC_f)改性层,并采用凝胶注模-无压烧结工艺制备了nano SiC_f-C_(fd)/Si_3N_4和C_(fd)/Si_3N_4复合材料。使用矢量网络分析仪研究了nano SiC_f-C_(fd)和C_(fd)对Si_3N_4陶瓷在X波段(8.2~12.4GHz)的介电响应和吸波性能的影响。结果表明:nano SiC_f-C_(fd)/Si_3N_4和C_(fd)/Si_3N_4复合材料的复介电常数和介电损耗角正切值(tanδ)均随纤维添加量增加而增大;相同纤维含量时,nano SiC_f-C_(fd)/Si_3N_4复合材料的介电常数实部比C_(fd)/Si_3N_4复合材料有所降低,但损耗角正切升高。反射损耗结果表明:nano SiC_f-C_(fd)/Si_3N_4复合材料拥有更优的电磁波吸收效果。nano SiC_f-C_(fd)含量为2wt%、d=2.5mm时,出现最大吸收峰-14.95dB,反射损耗优于-5dB,波段频宽达3.5GHz。nano SiC_f界面改性能有效提高C_(fd)/Si_3N_4复合材料的吸波性能。     

纳米氮化硅的表面修饰及分散稳定性研究

用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对纳米氮化硅(Si_3N_4)粒子进行表面修饰,采用开炼混合和硫化工艺制得Si_3N_4/丁苯橡胶(SBR)纳米复合体系,通过红外光谱(FT-IR)、接触角仪、透射电镜(TEM)和橡胶加工分析仪(RPA)对改性前后纳米Si_3N_4粒子及纳米Si_3N_4/SBR复合体系在有机体系中的分散稳定性和力学性能进行分析。结果表明:KH-570分子链成功接枝在纳米Si_3N_4表面并急剧降低了纳米粒子的表面能,有效阻止纳米颗粒团聚,提高了纳米粒子在有机体系中的分散稳定性,改善了纳米复合材料的界面粘结,增强了复合材料的力学性能。制得的改性纳米Si_3N_4/SBR表面能为35.521J/m~2,比未改性纳米Si_3N_4的表面憎水性提高了3倍以上,储能模量达到600kPa,有效提高了纳米Si_3N_4/SBR复合材料的性能。     

氧化物添加剂对 Si_2N_2O 粉末生成的影响

氮氧化硅(Si_2N_2O)难于直接从 Si_3N_4和 SiO_2中制取。因此加入少量氧化物添加剂,如 Al_2O_3、Y_2O_3或MgO 于 Si_3N_4和 SiO_2中,在1150～1800℃的温度范围内,对 Si_2N_2O 生成反应的动力学进行了研究。应用 X 射线衍射确定了反应产物。实验结果表明,氧化物添加剂导致液相形成,从而降低了反应的活化能,大大加速了 Si_2N_2O 的生成。生成反应可描述如下:Si_3N_4(c)+SiO_2((?))→2Si_2N_2O(c)Si_3N_4在液相中的溶解是控制性步骤。Si_2N_2O 生成动力学与 Si_3N_4在液相中溶解量的大小有关,与 Si_3N_4的晶型种类无关。Y_2O_3或 MgO 比 Al_2O_3添加剂更有利于 Si_2N_2O 的生成。     

ICVI法制备Si3N4P/ Si3N4 复合材料致密化行为数值模拟

根据Si₃N₄ 颗粒增强体的结构特点及等温化学气相法( ICVI) 的工艺特点, 对Si₃N₄ 颗粒增强Si₃N₄ 复合材料的致密化过程进行了数值模拟。用球形孔隙模型表征Si₃N₄ 颗粒增强体的结构特征, 用传质连续方程表征先驱体在预制体中的浓度分布。为了检验模型的准确性和适用性, 进行了相应的实验验证。模拟结果与实验结果具有相似的致密化规律, 预测的渗透时间和孔隙率与实验结果均十分接近, 表明本文中建立的数学模型可以较好地表征Si₃N₄P / Si₃N₄ 复合材料的ICVI 过程。     

Stability of Phases in SiC and Si_3N_4 Whisker Formation

The stability of the phases in equilibrium is calculated and discussed in order to analyse and predict thereactions in SiC and Si_3N_4 whisker formation.Equilibria among SiC,Si_3N_4,Si_2N_2O,SiO_2 and the gas phaseare evaluated at different C activity,N_2 pressure,and temperature.According to the phase stabilitydiagrams,Si_3N_4 whisker was formed with the increase of N_2 pressure and decrease of C activity;SiC whiskerwas stable with the increase of C activity and decrease of N_2 pressure.In order to control the impure phasesduring the whisker formation,O_2 partial pressure is the most important factor.     

TiN/Si3N4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应.最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa.当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低.此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降.     

硅粉在高压氮气中自蔓延燃烧合成氮化硅的反应机理

本文对Ｓｉ粉在高压氮气中自蔓延燃烧合成（ＳＨＳ）Ｓｉ３Ｎ４的反应机理进行了研究。燃烧反应中Ｓｉ以蒸汽形式与Ｎ２在Ｓｉ３Ｎ４晶种表面反应，反应分为两个主要阶段：（１）动力学反应阶段：Ｓｉ蒸汽不需经过扩散直接与Ｎ２进行反应，反应速度快；（２）扩散控制反应阶段：Ｓｉ蒸汽经过Ｎ２气层扩散到Ｓｉ３Ｎ４晶种表面与Ｎ２反应，反应受扩散控制，速度较慢。     

SiO_2－Si_3N_4天线窗材料的介电性能研究

研究了Ｓｉ_３Ｎ_４含量和相对密度对Ｓｉ_３Ｎ_４颗粒增强ＳｉＯ_２基复合材料的介电性能的影响。结果表明：在Ｓｉ_３Ｎ_４含量相同时，随着相对密度的增大，复合材料的介电常数增大，介电损耗减少；在一定的相对密度下，复合材料的介电常数和介电损耗随Ｓｉ_３Ｎ_４含量的增加而增大。     

微量润滑条件下Si3N4陶瓷 白口铸铁的摩擦学性能研究

采用块 盘式摩擦磨损试验方法,在MG 200摩擦磨损试验机上对Si3N4陶瓷 白口铸铁摩擦副进行了微量润滑条件下的摩擦磨损试验,同时根据试件的SME照片和能谱成分分析了摩擦磨损机理,为陶瓷材料的制备及减少磨损提供理论依据。试验和分析结果表明：微量润滑条件下Si3N4陶瓷的磨损率和摩擦系数要比干摩擦条件下小得多;Si3N4陶瓷的磨损率随载荷的增大而增大,滑动速度对磨损率的影响要小于载荷对其的影响;Si3N4陶瓷 白口铸铁的摩擦系数随速度的增大而减小,载荷的变化对摩擦系数的影响不大;Si3N4陶瓷的磨损是化学磨损、机体物质脱落和磨粒磨损共同作用的结果,其中化学磨损起主导作用。     

表面改性对氮化硅浆料固含量的影响

本文通过酸洗工艺对Ｓｉ_３Ｎ_４粉体进行了表面改性,并研究了表面改性对粉体胶体特性及其浆料流动性的影响．结果表明：酸洗处理之后悬浮粒子的等电点升高,ＸＰＳ表面分析表明这是粉体表面氧化程度降低的缘故．而且,由于酸洗处理有效地提高了粒子的Ｚｅｔａ电位,因而浆料的流动性明显得到改善,其最高固含量也由５０ｖｏｌ．％提高到５５ｖｏｌ．％,并制备出了固含量为５３ｖｏｌ．％的、适于浇注的Ｓｉ_３Ｎ_４浆料．     

双马来酰亚胺复合材料摩擦学性能的研究

采用浇铸成型法制备了两类双马来酰亚胺复合材料,分别考察了石墨、纳米Si3N4的添加量对复合材料摩擦学性能和力学性能的影响,用扫描电镜对复合材料的磨损表面形貌进行了分析.结果表明:纳米Si3N4对改善双马来酰亚胺的摩擦磨损性能方面比石墨更有效,尤其是当纳米Si3N4的添加量为1.5%(质量分数)时,复合材料的摩擦磨损性能最佳,摩擦系数降为0.25,磨损率下降72%.     

混杂填料填充导热硅橡胶性能研究

以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,选用不同粒径氮化硅粒子和碳化硅晶须为填料制备了导热硅橡胶.研究表明:大小粒子以最佳比例进行混合填充时橡胶可获较高热导率,并采用Hasselman模型和等效粒径概念来研究混合粒子体系的热导率;将碳化硅晶须和氮化硅粒子并用,在较低用量下体系呈现较高热导率.此外,随混合填料用量增加橡胶热膨胀系数降低,热稳定性提高.