反应烧结Si_3N_4的热震断裂行为

研究了四种 Si_3N_4材料的热震断裂行为。分析了材料的断裂参数(K_(1c)、γ(?) 和 σ(?))与抗热震参数之间的关系。无掺杂的 Si_3N_4-B_0的临界抗热震温差ΔT_c 为400℃左右,其热震裂纹以准静态的方式扩展。含 BN 的 Si_3N_4-B_1,Si_3N_4-B_2和 Si_3N_4-B_2材料的临界抗热震温差较高(ΔT_c=500℃),并在该温度点发生动态的裂纹扩展。当热震温差进一步提高,BN 含量较高的 Si_3N_4-B_2以及含有 BN 和 C 的 Si_3N_4-B_3在一定的温差增量范围内(ΔT_c′-ΔT_c=200℃)保持了裂纹的稳定;然后随着温差的继续扩大,其裂纹又逐步扩展。BN 含量较低的Si_3N_4-B_1则不同,其热震裂纹在作了动态扩展之后紧接着再逐步扩展。在实验的基础上阐明了 Si_3N_4材料的热震断裂行为是由抗热震参数控制的,而抗热震参数是断裂参数的函数。指出 Si_3N_4-B_2是适用于力学和热学环境下的结构材料,因其具有较高的抗热震参数和较小的热震强度衰减率。     

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。     

Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3和Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO系统的亚固相关系

本文给出了 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3和 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统的亚固相图。实验结果表明:在 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统中有一个未知结构的新化合物 CaO·Si_2N_2O,在3CaO·Si_2N_2O 和3CaO·Al_2O_3两化合物之间形成连续立方固溶体。而 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3系统中则没有发现新化合物。在两个系统的富 Si_2N_2O区,过量的 Si_2N_2O 与 La_2O_3和 CaO 分别反应形成 Si_3N_4与 La_(10)[SiO_4]_(?)N_2(H-相)(和 CaSiO_3。所研究的这两个三元系统中,分别形成了如下几个四元相容性区。在 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3系统内有:H-Si_3N_4-La_2O_3·Si_2N_2O-La_2O_3·Al_2O_3;H-Si_3N_4-La_2O_3·Al_2O_3-La_2O_3·11 Al_2O_3;H-Si_3N_4-La_2O_3·11 Al_2O_3-Al_2O_3;H-Si_3N_4-Al_2O_3-O′s.s;H-Si_3N_4-O′s.s-Si_2N_2O在 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统内有:Si_3N_4-CaSiO_3-CaO·Si_2N_2O-3CaO·Al_2O_3;Si_3N_3-CaSiO_3-3CaO·Al_2O_3-2CaO·Al_2O_3·SiO_(?);Si_(?)N_(?)-CaSiO_3-2CaO·Al_2O_3·SiO_2-Al_2O_3;Si_3N_4-CaSiO_3-Al_2O_(?)-O′s.s;Si_3N_4-CaSiO_3-O′s.s-Si_(?)N_(?)O     

激光诱导气相合成Si_3N_4/SiC纳米粉试验工艺研究

选择廉价的六甲基乙硅胺烷((Me_3Si)_2NH)和氨气为原料,采用正交设计试验参数的方法,研究了激光功率密度、六甲基乙硅胺烷蒸汽流量、氨气流量对粉体化学组成的影响。制备出低游高碳含量,高Si_3N_4含量的Si_3N_4/SiC粉体。研究结果表明,在选定的试验参数范围内,形成的粉体中Si_3N_4、SiC的相对含量在较大的范围内变化。对Si_3N_4粉体中Si_3N_4的形成影响最大的是激光功率密度,六甲基乙硅胺烷流量对其影响最小。通过试验得到了高Si_3N_4含量,低游离碳含量的Si_3N_4/SiC纳米粉形成的最佳工艺参数。     

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。     

自韧Si_3N_4的显微结构控制及其性能研究

选择等摩尔Y_3O_3—La_2O_3为添加剂,利用自韧技术和热压方法制备Si_3N_4陶瓷,在最佳的工艺条件下,室温断裂韧性和强度分别为11～12.5MPa.m~(1/2)和900～1000MPa;1350℃时为22～24MPa.m~(1/2)和720～780MPa,韦伯模量为18.4～24.5。这些性能居国内领先、国际先进水平。 掌握了工艺参数和添加剂量对显微结构和力学性能的影响规律及显微结构和力学性能的相互关系。确定了获得高性能自韧Si_3N_4陶瓷的最优工艺和成分。分析表明,β-Si_3N_4晶粒的平均直径为1μm、长径比为7.5左右并且均匀分布时,对提高性能有利。 通过致密化、α→β相变和β-Si_3N_4晶体生长过程分析及动力学计算,揭示了β-Si_3N_4晶体在在不同方向上的生长规律。 研究发现裂纹偏转是主要的增韧机制,β-Si_3N_4棒状晶的拔出,裂纹分支和桥接也对K_(IC)值有所贡献。观察到β-Si_3N_4晶粒在[001]方向存在大量的生长台阶和〔210〕方向上的生长螺线。发现了螺线生长机制。晶体生长缺陷如β-Si_3N_4晶粒异常长大、表面微裂纹及晶粒分支等使性能下降。 实验结果表明,自韧Si_3N_4的氧化符合抛物线规律。1350℃、100h后强度保持率为75％,氧化增重为0.64mg/cm~2。氧化后表面生成的粗大方石英、Y_2Si_2O_7及La_2Si_2O_7等导致裂纹而使强度下降。热震后     

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。     

氮化硅结构研究中的重要发现

在利用高分辨电子显微术研究 Si_3N_4结构过程中,有了新的发现。这些发现包括纳米级裂纹、超结构、纳米畴和辐射损伤等。纳米级裂纹是晶粒中纳米大小的裂纹,它可能是导致穿晶断裂的裂纹。超结构可能影响Si_3N_4晶粒的力学性能,我们在研究中发现了三种超结构。纳米畴是晶粒中一种新的结构缺陷,在研究中我们发现了两种这类畴。也研究了辐射损伤,发现 α-Si_3N_4比β-Si_3N_4更易于受到辐射损伤,这说明β-Si_3N_4比α-Si_3N_4结构更稳定。还仔细地研究了 Si_3N_4陶瓷的晶界,结果指出,晶界工程对于改善 Si_3N_4陶瓷的力学性能是强有力的手段。     

Si_3N_4陶瓷的微波烧结

用微波烧结技术和常规无压烧结技术烧结了 Si_3N_4陶瓷。用 XRD,TEM 等方法研究了不同技术烧结的 Si_3N_4样品的组成和显微结构;用三点弯曲和压痕法分别测量了两类样品的抗弯强度和断裂轫性。结果表明,N_2气压的引入可有效地控制微波烧结过程中 Si_3N_4的分解,微波烧结可大幅度降低 Si_3N_4的致密化温度,提高相转变速度,缩短烧结时间,其力学性能也明显地提高。     

镍电极X8R陶瓷材料的研究

系统研究了Yb-Mn-CaZrO3掺杂和Yb-Ni-CaZrO3掺杂BaTiO3陶瓷的显微结构与介电性能的关系.实验表明,Mn和Ni离子可以抑制Yb与CaZrO3向BaTiO3晶粒中的扩散,并形成晶粒的"壳-芯"复相结构.SEM和DSC研究表明,掺Ni较之掺Mn更有利于提高陶瓷材料中"壳-芯"结构的稳定性.CaZrO3的引入可提高瓷料的居里温度并改善介电温度稳定性,使上述两种瓷料系统的介电温度特性均满足X8R规范要求.     

Si_3N_4 和 SiC 陶瓷材料的压痕断裂行为和断裂韧性测量

本文以热压 Si_3N_4和反应烧结 Si_3N_4为对象,研究其在 Vickers 钻石压头的作用下,相应于压痕断裂行为而发出的声发射特征。发现,除了与压痕特征参数的发展相应的准静态声发射之外,尚有三个以上突然增强的发射讯号,分别与径向裂纹的成核、径向裂纹突发至试样表面和裂纹分岔,以及侧向裂纹的萌生等效应相关。与一般力学测试法相比,据据 Evans 表达式(7),以 Vickers 压痕裂纹技术测得的 K_(IC)值具有的负偏差是,热压 Si_3N_4:-25.1%;反应烧结 Si_3M_4:-21.6%;热压 SiC:-29.2%。以含有弹性模量项的 Evans 表达式(8)取代式(7),从而得到上述材料的 K_(IC)值偏差分别从-25.1%降至-13.9%;从-21.6%降至-12.3%和从-29.2%降至-17.9%。作为从终点烧结温度淬冷至室温的必然结果,在热压陶瓷材料中存在的热残余应力似乎助长了热压 Si_3N_4和热压 SiC 陶瓷的 K_(IC)值偏差。     

精细陶瓷高温疲劳性能测试方法研究

对平面弯曲型的三点弯曲试样，采用共振法研究并测定了两类Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的高温疲劳性能曲线。研究结果表明：所用陶瓷材料的高温疲劳数据位于两个极端；即：起始阶段就破断或超过指定寿命不破坏。经疲劳试验未破断的样品在高温下的弯曲强度明显地高于原邕样品的高温弯曲强度。     

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。     

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.     

用于测量陶瓷断裂韧性的Vickers和Knoop压痕裂纹技术

采用 Vickers 压痕裂纹测量法或 Knoop 压痕～强度法等压痕技术进行了陶瓷的断裂韧性测量。反应烧结 Si_3N_4,热压 Si_3N_4和 SiC 等结构陶瓷用于研究显微结构非均质性和热残余应力对断裂韧性值的影响。人工水晶用于研究晶体学取向和断裂韧性之间的关系。研究发现,Knoop 压痕～强度法比 Vickers 压痕裂纹测量法更适合于非等轴晶系的晶体断裂韧性测量。其原因是 Knoop 压痕的主裂纹和缺口试样的裂纹都沿着同样的晶面扩展,而 Vickers 径向裂纹对却须沿着相互正交的晶面扩展,仅其中的一个晶面与缺口试样的裂纹扩展面一致。在 Vickers 压痕裂纹技术的基础上,用以计算 K_(1c)值不含弹性模量 E 项的 Evans 式(21),似乎能显示出显微结构对 K_(1c)值的影响;含有弹性模量 E 项的 Evans 式(22),似乎能反映出残余热应力对 K_(?)值的影响。所有上述的陶瓷材料,除了反应烧结 Si_3N_4,其压痕和裂纹关系 a~2～C~(3/2)的线性回归相关系数都相当,甚至>0.99。这表明了 Vickers 压痕技术在测定陶瓷的断裂韧性方面具有一定的实用性。     

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．     

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。     

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%.