添加燃烧合成的晶种对无压烧结Yα-SiAlON陶瓷的影响

利用燃烧合成技术成功制备出单相Y α-SiAlON粉体,酸洗除去玻璃相后以无水乙醇为介质进行超声分散.将分散后的粉体作为晶种,按照一定比例添加到原料粉末中,通过无压烧结得到致密的Yα-SiAlON陶瓷,研究了添加晶种对烧结产物的相组成和微观形貌的影响.实验结果表明,添加晶种有利于减少中间产物的生成,得到单相Y α-SiAlON,同时可以促进柱状晶的发育.     

燃烧合成长柱状Yb优．Sialon粉体

研究了各参数对燃烧合成长柱状Yb α-Sialon相组成及形貌的影响。结果表明，不同m，n值对燃烧产物相组成有很大影响。原料中Si3N4，AlN，NH4F的增加有利于Si的氮化，同时，Si3N4和NH4F的增加使α-Sialon晶粒由柱状转变为颗粒状。燃烧合成长柱状α-Sialon的形成过程是α-Sialon首先从Yb-Si-Al-O-N液相中形核析出，然后在适宜的生长条件下择优生长，发育成长柱状晶体。     

β-Si3N4晶种的制备和自增韧Si3N4陶瓷

分别以Yb2O3和MgO为添加剂，通过对原始α-Si3N4粉热处理的方法，分别在1700℃和1650℃的温度下，制备出了具有柱状形貌的β-Si3N4晶体颗粒。并将这2种β-Si3N4晶粒在未经酸或碱处理的情况下，作为晶种添加到原始α-Si3N4粉中，采用热压烧结工艺，以Yb2O3作为烧结添加剂，在1800℃下制备了自增韧Si3N4陶瓷材料。研究结果表明，以Yb2O3和MgO为添加剂都可以在较低的温度下获得适合于作晶种的β-Si3N4晶体颗粒。2种晶种引入到Si3N4陶瓷中都可以有效地改善材料的断裂韧性，但晶种中的残留相对自增韧Si3N4陶瓷的高温强度产生了强烈的影响。XRD和TEM分析结果表明，含Mg相的存在是导致Si3N4陶瓷高温强度的剧烈降低和促进晶间相析晶的主要原因。     

燃烧合成长柱状Ybα-Sialon粉体

研究了各参数对燃烧合成长柱状Ybα-Sialon相组成及形貌的影响.结果表明,不同m,n值对燃烧产物相组成有很大影响.原料中Si3N4,AlN,NH4F的增加有利于Si的氮化,同时,Si3N4和NH4F的增加使α-Sialon晶粒由柱状转变为颗粒状.燃烧合成长柱状α-Sialon的形成过程是α-Sialon首先从Yb-Si-Al-O-N液相中形核析出,然后在适宜的生长条件下择优生长,发育成长柱状晶体.     

单一添加剂对制备长柱状β-Si3N4的影响

通过添加单一稀土氧化物CeO2,Nd2O3,Eu2O3,Yb2O3和MgO烧结制得长柱状β-Si3N4晶种以用于增韧适合应用于轧辊的氮化硅陶瓷.X射线衍射(XRD)分析表明,这5种添加剂都能有效促进氮化硅从α相到β相的转变;扫描电镜(SEM)分析表明,4种稀土氧化物所制备的晶种其形貌完整性和表观长径比优于MgO添加剂所制备的晶种,而添加离子半径相对较小的Eu2O3和Yb2O3所得β-Si3N4晶种形貌完整性和表观长径比又要优于添加离子半径相对较大的CeO2和Nd2O3,其表观长径比分别为5.33和5.14.     

NH4F及燃烧温度对燃烧合成长柱状Yb α-Sialon粉体的影响

采用SHS法合成了Yb α-Sialon粉体，采用XRD和SEM分析和研究了添加剂NH4F及燃烧温度对燃烧合成长柱状Yb α-Sialon相组成和形貌的影响。实验发现，在不同条件下，添加剂NH4F对燃烧合成长柱状α-Sialon的晶体形貌可以起到抑制和促进两个相反的作用。温度越高，晶体生长速率越大，反应降温越慢，晶体生长时间越长，长柱状晶体生长越完整。燃烧合成得到的长柱状α-Sialon粉体，在室温下，以酒精为介质经过30min以上的超声分散，可以达到较好的分散效果。     

氮化硅粉添加剂对反应烧结氮化硅的影响

以Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O和Al(OH)3为烧结助剂,在起始原料硅粉中添加等轴状α-Si3N4和纤维状β-Si3N4,通过调整原料配比,采用反应烧结制备了不同气孔率和抗弯强度的氮化硅陶瓷.考察了氮化硅粉体形貌和添加量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响.借助X射线衍射(XRD),扫描电子显微(SEM)和三点弯曲法对氮化硅陶瓷的微观组织和力学性能进行了研究.XRD分析表明适量氮化硅的添加有利于提高硅粉氮化率,但同时抑制了新生成的氮化硅从α相向β相的转变.SEM表明β-Si-N4纤维的添加造成了陶瓷显微结构不均匀,因而导致陶瓷抗弯强度下降.     

微观组织调控对氮化硅强度及热导率的影响

为了通过调控氮化硅陶瓷中β-Si_3N_4柱状晶形貌以得到兼具高热导率和高强度的陶瓷,以不同β-Si_3N4_/α-Si_3N_4配比粉末为起始原料,添加Y2O3和MgO为烧结助剂,采用放电等离子烧结技术(SPS)和后续高温热处理制备烧结致密的氮化硅陶瓷。结果表明:随着β-Si_3N_4粉末含量的增加,烧结后异常长大β-Si_3N_4柱状晶减少,试样抗弯强度下降,同时β-Si3N4柱状晶平均长径比的减小使得晶粒堆积密度减小,柱状晶体积分数响应增加,晶间相含量减少,热导率提高。     

晶种对自增韧氮化硅陶瓷热导率的影响

将制备的β-Si3N4晶种(添加剂为Yb2O3)加入到α-Si3N4起始原料中,经热压烧结获得试样.在相同的烧结条件下,与未添加晶种时的氮化硅相比,加入8%的晶种后氮化硅的热导率在各温度点高出3 W.m-1.K-1～5 W.m-1.K-1.随着温度的升高,两者的热导率均明显降低.当温度从室温升至1 200℃时,未添加晶种的氮化硅的热导率从36.2W.m-1.K-1下降到7.74 W.m-1.K-1;添加了晶种的氮化硅热导率从40.1 W.m-1.K-1下降到10.4 W.m-1.K-1.同时,利用XRD和SEM分别对热压试样的相组成和显微结构进行了分析.     

β-Si3N4增强MoSi2基复合材料的组织与性能

利用放电等离子烧结法(SPS)制备了不同体积分数β-Si3N4增韧的MoSi2复合材料,研究了β-Si3N4颗粒对MoSi2基复合材料显微组织和力学性能的影响,初步探讨了β-Si3N4颗粒对MoSi2增韧的机理.结果表明:在MoSi2基体中加入β-Si3N4颗粒,能细化基体组织,改善力学性能;随着β-Si3N4体积分数的增加,复合材料的显微硬度和断裂韧性先增后减,20%β-Si3N4/MoSi2复合材料的显微硬度与断裂韧性分别比MoSi2提高了31.7%与62.9%,增韧补强效果显著;β-Si3N4的强韧化机理为细晶强化.     

免烧成低密度Si_3N_4/SiC复相耐火材料的制备及性能研究

针对氮化烧成Si_3N_4/SiC复相耐火材料的成本高、能耗大及传热损失大的突出问题,研究制备了免烧成低密度Si_3N_4/SiC复相耐火材料。研究以硅藻土作为硅源,蔗糖作为碳源,通过碳热还原氮化法制备了Si_3N_4/SiC复相粉体。再以该复相粉体为原料,以添加不同量Si粉(0%,5%,10%)的蔗糖作为结合剂,分别在60、90、120℃3个温度点热处理2 h,150℃热处理8 h后,制备成免烧成低密度Si_3N_4/SiC复相耐火材料。采用XRD和SEM对粉体的物相及微观形貌进行表征。结果表明:粉体的物相为α-Si3N4,β-Si3N4,β-Si C和Fe3Si,通过计算得到α-Si3N4,β-Si3N4和β-Si C的相对含量分别为4.28%,29.74%和59.40%;硅藻土中含有较高含量的Fe杂质元素导致少量Fe3Si生成;粉体中β-Si3N4呈短柱状,β-Si C以细小颗粒的形式存在。在N2(99.999%)保护条件下,1000°C模拟使用这种Si_3N_4/SiC复相耐火材料1h后发现,Si粉的添加量对其体积密度和显气孔率的影响不大,体积密度变化范围是1.48~1.51g·cm-3,显气孔率变化范围是33.36%~34.62%;Si粉添加量为5%时,材料的抗折强度和抗压强度达到最大,分别为3.78和31.95 MPa。     

采用NaN3燃烧合成高α相氮化硅粉体

采用燃烧合成方法,以NaN3作为固态氮化剂,制备了α相含量高达97%以上的氮化硅粉体.研究了外部氮气压力对于燃烧合成氮化硅粉体的影响.NaN3的加入主要是为燃烧合成反应提供了比N2分子更高化学活性的内部氮源(N3原子团和N原子),同时作为Si-N反应的催化剂,使Si粉在氮气中的燃烧合成反应更加容易进行.适量的NaN3加入能够促进Si粉的完全氮化并提高燃烧产物中的α-Si3N4含量.详细探讨了采用NaN3作为固态氮化剂条件下可能的氮化硅燃烧合成机理.     

温度对硅铁合金氮化产物相组成的影响

分别在1400、1500、1600、1700℃的温度下，于0．9MPa氮气气氛条件下保温3h，对FeSi75硅铁合金粉体进行了氮化实验。研究结果表明：FeSi75合金粉体氮化后产物为Si3N4和Fe3Si，其中1400℃和1500℃氮化产物中的氮化硅为α-Si3N4；1600℃和1700℃氮化产物中的氮化硅为α-Si3N4和β-Si3N4。α-Si3N4的数量随温度升高而减少，β-Si3N4的数量随温度升高而增加。氮化产物si3N4的显微形貌为针柱状和长柱状。     

添加氟化物燃烧合成低氧含量α-SiAlON粉体

利用氟化物引入稳定离子,通过燃烧合成技术制备出低氧含量的α-SiAlON陶瓷粉体,并且运用XRD和SEM对燃烧产物进行了表征.结果表明,与通常氧含量较高的组成相比,低氧含量组成合成出的粉体相纯度稍低,晶粒择优生长不显著,产物主要为等轴状颗粒.研究还发现,在Ca α-SiAlON系统中存在一个氧含量的门槛值,当试样的起始组成中实际氧含量低于此值时,燃烧产物中没有α-SiAlON生成.     

氮化硅基多孔陶瓷的孔隙结构控制

氮化硅多孔陶瓷的孔隙率、孔径的调节与孔隙结构的控制主要是通过改变粉料颗粒配比、料浆浓度、成形密度和烧结工艺来实现的,得到的材料多以β-Si3N4为主相,对α-Si3N4多孔陶瓷材料的研究较少。本实验以磷酸锆为结合剂并添加不同成孔剂低温常压烧结制备以α-Si3N4为主相、孔隙可控的氮化硅基多孔陶瓷,孔隙率范围30%~70%,抗弯强度16~108MPa。     

部分热压法制备氮化硅多孔陶瓷研究

采用部分热压法,以Y2O3,MgO和CaO为添加剂,制备了气孔率在0.009～0.236的氮化硅多孔陶瓷.结果表明:制备的氮化硅多孔陶瓷是由众多长柱状的β-Si3N4晶粒及部分残余的α-Si3N4构成,气孔由长柱状的β-Si3N4搭接形成,其形状不规则.同时分析了氮化硅多孔陶瓷的力学性能与气孔率的关系,得出了气孔率与抗弯强度及断裂韧性的关系.     

稀释剂迭代加入对燃烧合成α-Si3N4的影响

在开发迭代燃烧合成这种新工艺的基础上,进一步研究了以迭代的方式加入稀释剂对燃烧合成Si3N4的作用和影响.研究表明,以迭代的方式加入Si3N4稀释剂,可以有效的控制燃烧反应的最高温度,能够实现以低α相含量的Si3N4粉体来制备出高α相含量的Si3N4粉体,从而使Si3N4产物的α相含量得到提高.同时发现,当稀释剂加入量x较小(x=0.375)时,稀释剂的α相含量对生成Si3N4产物的α相含量影响较大,当热力学因素和动力学因素的作用达到平衡时,产物中Si生成的α-Si3N4的转化率最高值达到89%;当加入稀释剂的量较大(如x≥0.40)时,稀释剂的这种作用不明显.适宜的稀释剂加入量x值应当在0.45左右.所得结果对工业化生产α-Si3N4粉体具有指导作用.     

h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的力学和摩擦性能

以亚微米级α-Si3N4,h-BN粉末为原料和Y2O3-Al2O3为助烧剂,采用热压烧结法制备了h-BN/Si3N4陶瓷复合材料.随着h-BN含量增加,柱状β-Si3N4晶粒的直径和长径比均减小,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的抗弯强度、断裂韧性略有下降,而弹性模量和硬度明显下降.添加10ψ/%h-BN后,弹性模量从293.5 GPa下降到236.6 GPa,同时硬度从14.5 GPa下降到10.9 GPa.随着h-BN含量增加,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的摩擦系数略有下降.     

闪速燃烧合成β-Si3N4

利用闪速燃烧合成技术,在0.2 MPa的氮气压力与1550℃的燃烧温度条件下,采用≤88 μm粒度的高纯Si细粉制备了细蜂窝状疏松块体Si3N4.X射线衍射分析表明,这种Si3N4主要为高温型β-Si3N4相,并含有一定量的Si2N2O相.热力学分析表明在0.1 MPa常氮气压下,可以闪速燃烧合成Si3N4;由于体系中有一定的氧分压,产物中有一定量的Si2N2O生成.通过实验和分析,认为闪速燃烧合成技术是燃烧合成Si3N4的理想的工艺技术.     

Ca-α-SiAlON:Eu2 荧光发光材料的合成与发光性能

以α-Si3N4,AlN,CaCO3,Eu2O3为原料,采用固相烧结法获得了组成为CaxEuySi12-(3x 4.5y)Al3x 4.5yOx 1.5yN16-(x 1.5y)(x=0.220～1.525,y=0.02～0.15)的荧光发光材料.应用X射线衍射(XRD)仪,扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计,研究了不同组成及烧结工艺对Ca-α-SiAlON:Eu2 的制备,Eu2 掺杂和荧光发射的影响.在所研究的组成范围,可以获得单相、Eu2 掺杂的Ca-a-SiAlON:Eu2 陶瓷粉体.提高烧结温度可以进一步改善Eu2 离子的分布均匀性.Ca-α-SiAlON:Eu2 在紫外-可见光部分具有强烈的吸收,其激发光谱的峰值波长为～270 nm、400 nm,发射光谱的峰值波长为～570 nm.采用氢气,氮气混合气氛烧结合成的Ca-α-SiAlON:Eu2 的发光强度要高于氮气气氛烧结合成的样品.