成形方法对无压烧结Si_3N_4显微结构和性能的影响

不同成形方法造成的生坯试样密度间的差异,导致试样烧成收缩、溶解-沉淀和晶粒生长速率,以及表面蒸发凝聚过程的不同变化,从而形成各具特征的显微结构。干压试样中β-Si_3N_4平均粒径1.40μm,晶粒最大纵横比8:1,网状交织结构显著。等静压试样中β-Si_3N_4平均粒径约1μm,最大纵横比4:1,成一定的形态取向结构。两种成形方法试样的抗折强度随温度升高而下降的斜率明显不同,特别是1500°～1300℃间尤为明显,试样的抗折强度不仅受平均粒径的制约,而且受晶粒形态、纵横比及分布特征的控制。     

Si_3N_4添加CeO_2-Y_2O_3-Al_2O_3常压烧结

一、绪言在烧制高温结构材料的Si_3N_4时,因添加适当的烧结助剂,所以在主晶相之间残存有玻璃相或其他晶相,并已知所残存的第二相对于烧结体的特性有很大的影响。为了解决这一问题,一般采用热压或HIP等特殊方法及减少助剂用量。柘植氏等人在Si_3N_4之中添加5wt％的Y_2O_3,于1700℃烧结之后,再在N_2气体中1750℃下热压,使其在主晶相间析出耐火度高的Si_3N_4·Y_2O_3晶体,     

无压烧结Si_3N_4的高温断裂形貌及其显微结构

Si_3N_4—Y_2O_3—Al_2O_3系的无压烧结Si_3N_4试样,在光学显微镜、扫描电子显微镜和x射线衍射分析的基础上,按断面形态和体视学的方法,进行显微结构参数的测定计算,从而建立起Si_3N_4材料的高温断裂强度与断裂形貌、三维显微结构参数间的内在联系。两种成形方法烧结试样的高温断裂强度,均随温度升高而明显降低,断面上镜面区扩大,沿晶断裂明显。断裂强度随温度升高的下降斜率,等静压试样大于干压试样。晶粒(β—Si_3N_4)三维平均自由距离(λ)值随断裂温度升高而增大,λ值的增大与σf值的降低大致成线性关系。等静压试样的λ值随温度升高的变化明显的大于干压试样。单位体积中晶粒的比表面积(Sv)值,随断裂温度升高而趋于降低,与λ值的增大对应一致,表明晶界的滑移分离机制是导致Si_3N_4材料高温断裂的重要原因之平均晶粒的比表面积(Sv_p)值,随断裂温度升高的变化与高温断裂过程中βΚSi_3N_4晶粒形态的变化相对应,同时结合晶粒取向和球相当经D_(3s)的数据,表明Si_3N_4的高温断裂,不仅产生晶界滑移分离,气孔扩散连通,以及晶界玻璃相的成核,而且相伴有β—Sj_3N_4的分解、圆化过程。研究表明,控制生坯中的气孔形态、孔径大小及分布,是限制晶粒形态,提高晶粒纵横比的有效途径,在配方组成相同的条件下,将有利于Si_3N_4材料的高温断裂强度。     

添加Al_2O_3-Y_2O_3烧结助剂的无压烧结Si_3N_4的研究

本文研究了 1740～1780℃范围内以Al_2O_3-Y_2O_3 为烧结助剂的 Si_3N_4 的无压烧结性能。结果表明:加少量Al_2O_3-Y_2O_3的Si_3N_4,即使含量<6.5％,只要工艺措施适当,也可获得高密度(相对密度达96～99％)的氮陶瓷,强度为500～600MN/m~2(部分达到700MN/m~2)。 试验表明,使用粒度细,α相含量高的Si_3N_4 原料,采用Si_3N_4 BN MgO 的埋粉,以及保温时间适当,是促进烧结的有效措施。研究指出:添加少量Al_2O_3-Y_2O_3 外加剂的 Si_3N_4 是以液相烧结为主。 用X射线衍射,扫描电镜和电子探针等检验了Si_3N_4的显微结构,表明 Al_2O_3已进入β-Si_3N_4 晶格,形成β’-Si_3N_4固溶体,晶格参数随 Al_2O_3 加入量增加而增大。     

Si_3N_4-MgAl_2O_4-ZrO_2系材料的无压烧结研究

在Si_3N_4-MgAl_2O_4系Sialon材料无压烧结研究工作的基础上,进行Si_3N_4-MgAl_O_4-ZrO_2系材料的无压烧结研究和应用研究工作。虽然两个系统材料的室温强度相差不大,但Si_3M_4-MgAl_2O_4-ZrO_2系材料的耐磨性和抗冲击性显著提高。讨论了烧结温度对材料致密化和强度的影响,氧化物添加量和ZrO_2添加量之间的比例关系对材料致密化和强度的影响,材料性能与显微结构之间的关系等。介绍了该系统材料作为难加工材料切削刀具、金属丝拉丝模和防弹装甲复合材料用瓷的试验结果。     

无压烧结Si_3N_4高温断裂强度及其显微结构关系的探讨

在扫描电镜(SEM)观测的基础上,根据体视学的方法测定和计算了Si_3N_4-Y_2O_3-Al_2O_3系无压烧结Si_3N_4试样的高温显微结构参数,定量的确立了高温断裂强度、断裂机理与三维显微结构参数间的内在联系,以及工艺因素与断裂强度、显微结构间的关系。β-Si_3N_4晶粒间三维平均自由距离λ值随断裂温度升高的增大与σ_f值的降低成线性关系。等静压试样的λ值随温度升高的变化明显地大于干压试样。单位体积中晶粒比表面积Sv值随断裂温度升高趋于降低与λ值的增加成反向对应关系,表明晶界滑移分离机制是Si_3N_4材料高温断裂的重要原因之一。平均晶粒的比表面积Svp值与高温断裂中β-Si_3N_4晶粒形态的变化相对应,结合晶粒取向角及球相当径D_(3s)数据说明Si_3N_4材料的高温断裂中不仅产生晶界滑移分离、气孔扩散连通,以及晶界玻璃相的成核扩展,而且相伴有(β-Si_3N_4微晶的圆化分解过程。控制生坯试样中的气孔形态、孔径大小及分布,是降低晶粒轴率,提高纵横比的有效途径,从而有利于Si_3N_4材料的高温断裂强度。     

烧结助剂(Y_2O_3、Al_2O_3、La_2O_3)对β-Si_3N_4自增韧陶瓷的性能研究

利用氮化硅陶瓷的自增韧技术,使用复合烧结助剂和在氮化硅基体中添加长柱状β-Si_3N_4晶种,制备高断裂韧性的氮化硅陶瓷。采用X射线衍射、扫描电镜、阿基米德法、三点抗弯曲强度、单边切口梁法等测试方法对陶瓷的组成、显微结构、显气孔率以及抗弯强度和断裂韧性等进行了分析与表征。首先研究了无压烧结制备氮化硅陶瓷过程中,烧结助剂(Y_2O_3、Al_2O_3)对其烧结性能和力学性能的影响,当Y_2O_3含量为8wt%,Al_2O_3含量为4wt%时,氮化硅陶瓷的相对密度达95%以上,抗弯强度为674MPa,断裂韧性为6.34MPa·m~(1/2)。再通过引入La_2O_3提高氮化硅晶粒的长径比,使氮化硅陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别达到686MPa和7.42MPa·m~(1/2)。通过无压烧结工艺,在1750℃制备了长柱状的β-Si_3N_4晶种,晶种的平均长度为2.82μm,平均粒径为0.6μm,平均长径比为4.7。笔者着重研究了晶种对氮化硅陶瓷烧结性能和力学性能的影响。在氮化硅陶瓷中加入晶种后,其烧结性能和抗弯强度略有降低,但断裂韧性却得到了很大的提高;且随着晶种添加量的增加,断裂韧性先升高再降低,掺入量为2wt%时断裂韧性达到最大(7.68MPa·m~(1/2)),提高了20%以上。     

无压烧结Si_3N_4断裂形貌的研究

本文使用光学和扫描电子显微镜、X射线衍射仪等,探讨了注浆和于压成形方法对无压烧结Si_3N_4断裂形貌的影响,以及断裂形貌与抗折强度等力学性能间的关系。不同成形方法的试样,断裂形貌差异显著。注浆试样,断裂面较平坦,于压试样断裂面粗糙、复杂,脊形隆起显著。断裂形貌与试样显气孔率、烧成密度、抗折强度等物性参数有关。断裂强度符合公式:σ~J=KG~(-a)e~(-bp)。显气孔率较高,晶粒较大的注浆试样,强度较低,断裂面较平坦。显气孔率较低,晶粒较小的干压试样,强度较高,断裂面粗糙复杂。断裂源周围镜面半径R与抗折强度的关系符合公式:σ_fR~(1/2)=A 试样的断裂形貌不仅受材料固有因子的制约,而且受外来因子的影响。表面伤痕及气孔等缺陷往往是导致强度降低的原因之一。无压烧结Si_3N_4断裂形貌的研究,不仅定性地建立起断裂形貌与成形方法、抗折强度间的联系,而且如能精确测算镜面区半径及确立断裂形貌的数学模形,就可能建立起定量联系。     

Y_2O_3-Al_2O_3.AIN-Si_3N_4系统的亚固相关系

研究了 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 系统的亚固相关系。得知在 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN 二元系统中存在两个结构分别与 5Al_2O_3·3Y_2O_3(YAG)和Al_2O_3·2Y_2O_3(YAM)相同的含氮的YAG和YAM。在这二元系统中还存在一个结构与 Al_2O_3·Y_2O_3(钙钛矿型)相同的不稳定化合物,它在1550℃开始形成,但不易得到单相化合物。在Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 三元系统中,不存在五组分的化合物,只存在YAM和J相之间的连续固溶体。 研究结果得出了 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 三元系统的亚固相关系图,在此图中存在四个含有固溶体的二相区和三个部存在有YAG’的相容性三角形。它们分别是:Y_2O_3-J_(s.s.)、YAG’-J_(s.s.)、Y_2O_3·Si_3N_4-J_(s.s.)和YAG’-β-Si_3N_(4 s.s.),YAG’-J_(s.s.)-Y_2O_3-Si_3N_4、YAG’-Y_2O_3·Si_3N_4-Si_3N_4和YAG’-Al_2O_3·AlN-β-Si_3N_(4 s.s.)。     

成形方法对无压烧结Si_3N_4断裂形貌的影响

本文探讨了注浆及干压成形方法对无压烧结 Si_3N_4断裂形貌的影响,以及断裂形貌与抗折强度间的关系。成形方法不同的试样,断裂形貌差异很大。注浆试样断面较平坦,干压试样断面较粗糙,参差起伏显著。断裂形貌紧密的与成形方法不同所造成的气孔率、烧成密度、晶粒大小等相联。试样的断裂形貌与抗折强度的关系受公式σ_f·R~(1/2)=A_(?)及σ_f=KG~(-α)e~(-bp)的制约。断裂形貌愈复杂,放射状脊形隆起愈显著,试样的抗折强度愈大。试样的断裂形貌不仅受材料固有因子的控制,而且受外来因子的影响。表面加工伤痕、气孔等缺陷均能构成断裂源,而成为试样强度下降的原因之一。本文在断裂形貌的观测分析基础上,探讨了断裂源及断裂机理,并建立起断裂形貌与无压烧结 Si_3N_4成形方法和抗折强度间的定性联系.     

ZrO_2对无压烧结Si_3N_4增韧作用的初步研究

初步研究了ZrO_2对无压烧结Si_3N_4的增韧作用,在以MgAl_2O_4及Y_2O_3-Al_2O_3为烧结助剂的Si_3N_4中,加入8wt％ZrO_2时,断裂韧性分别提高30％与15％,达到6.43MPa·m~(1/2)及7.14MPa·m~(1/2)室温强度为500～600MPa,个别达700MPa。 讨论了抑制ZrN生成的工艺措施,发现加入Al_2O_3的量及其存在形式对ZrN的生成有重大的影响,使用含SiO_2的埋粉,控制ZrO_2的颗粒度以及适当的烧成温度和保温时间有利于使ZrN生成量减至最少。根据X射线衍射相分析和电子探针对Zr成分分析结果,探讨了两类配方的增韧机理。认为采用粒度分布范围窄、团聚少以及均匀分散的ZrO_2粒子,可以获得理想的显微结构,达到进一步增强增韧效果。     

Si_3N_4—ZrO_2系统烧结性能的研究

本文着重讨论了几种烧结助剂对Si_3N_4—ZrO_2系统烧结性能的影响。结果表明MgAl_2O_4与Y_2O_3—Al_2O_3是较好的烧结助剂,相对密度分别可达96％与98％。烧结性与ZrO_2加入量无明显依从性。X衍射相分析结果表明添加剂影响Zr的存在形式,A1_2O_3能抑制ZrN的生成。以MgAl_2O_4为烧结助剂时,Zr主要以单斜ZrO_2和ZrN形式存在;以Y_2O_3—Al_2O_3为烧结助剂时,Zr主要以立方ZrO_2和ZrN形式存在。用电子探针观察了试样内Zr的分布状态,结果表明Zr并不连续分布,而是集中在Zr质粒子中,且成聚集体,加入量越多,团聚现象越严重。由此推断(1)、晶界玻璃相中溶入的ZrO_2为数极少,加入8wt％时可能已大大超过溶解度极限,因此液相量不随ZrO_2加入量而变化;(2)加入的ZrO_2以结晶第二相存在,其中少部分转化为ZrN,大部分以单斜或立方ZrO_2形式存在;(3)结晶第二相并不均匀分布于晶界处,而是呈大的团聚体,成为基质中尺寸较大的夹杂物,这对提高材料的断裂韧性与高温力学性能不利。文章讨论了抑制ZrN生成的工艺途径,指出选用合适的烧结助剂和埋粉组成,控制ZrO_2的颗粒度,以及合理的烧结温度和保温时间,可使ZrN的生成量降至最少。     

氮气气氛下制备的Al-Si_3N_4-Al_2O_3复合材料的显微结构及性能

以板状刚玉、电熔白刚玉、氧化铝微粉、金属铝粉、氮化硅微粉为原料,热固型酚醛树脂为结合剂,在1 300℃氮气气氛下保温8h制备Al-Si3N4-Al2O3复合材料,并对Al-Si3N4-Al2O3复合材料进行热力学分析。结果表明:不添加Si3N4时,Al-Al2O3样品中的增强相主要为Al4O4C;添加Si3N4后,Al-Si3N4-Al2O3样品中的增强相主要为Si5AlON7(Z=1),此外,还有少量的金属塑性相Al和Si。Al-Si3N4-Al2O3样品可在氮气气氛下低温(1 300℃)合成出Si5AlON7(Z=1)。当Si3N4加入量为3%时,Al-Si3N4-Al2O3样品的常温耐压强度高达285MPa。     

气压烧结Si_3N_4陶瓷显微结构的区域性差异

研究了二步气压烧结氮化硅材料的显微结构。观察到其存在着区域性差异。试样边部的βＳｉ３Ｎ４晶体粒径大于试样中部。慢速升温使区域性差异更为严重。这种差异可能与Ｓｉ３Ｎ４的“主动”氧化行为有关     

稀土Sm_2O_3对多孔Si_2N_2O陶瓷显微结构和性能的影响

以Si_3N_4与Si O2为初始原料、Sm_2O_3为烧结助剂,通过无压烧结制备了气孔率不同的多孔Si_2N_2O陶瓷。研究了烧结温度、助剂含量对烧结后的产物的影响;测试了多孔Si_2N_2O陶瓷的力学性能、介电性能和抗氧化性能。结果表明:烧结温度过高或助剂含量过高都会导致Si_2N_2O相的分解;助剂含量对Si_2N_2O陶瓷微观组织产生明显的影响,随着助剂含量的增多,其显微结构由细小层片状过渡到板状晶粒再到短纤维搭接的板状晶粒结构,所制备的Si_2N_2O陶瓷比Si_3N_4陶瓷具有更优异的性能,抗弯强度为220 MPa,介电常数ε为4.1,介电损耗tanδ0.005。1 400℃氧化10 h,Si_2N_2O与Si_3N_4的质量增量分别为0.6%与2.1%。     

添加Si_3N_4对Al_2O_3-ZrO_2-C滑板性能的影响

通过在Al2O3-ZrO2-C滑板材料中引入Si3N4细粉(≤0.043 mm),研究了Si3N4加入量(质量分数分别为2%、4%、6%、8%)对滑板材料性能的影响,并对比研究了1 300℃6 h氮化烧成和1 450℃6 h埋炭烧成后试样的性能。结果表明:在不同烧成条件下,Si3N4的加入均改善了材料的性能,随着Si3N4加入量的增加,材料的显气孔率逐渐下降,体积密度、常温强度、高温抗折强度逐渐增大;Si3N4的加入,一定程度上改善了材料的抗氧化性;埋炭烧成滑板性能优于氮化烧成滑板,因为埋炭烧成过程中部分Si3N4反应生成了O’-SiAlON相。     

烧结Si_3N_4的性质

含 MgO 的 Si_3N_4在恰当的升温制度下随着烧结而致密,因此,是制作致密的(理论致密≈90%)具有混合形式的Si_3N_4的一种有效的技术。由于制作烧结材料的工艺比较简单,所以用烧结材料来代替反应烧结和热压 Si_3N_4正是所希望的。     

B_2O_3－Y_2O_3添加剂对AlN陶瓷显微结构及性能的影响

研究了以Ｂ_２Ｏ_３－Ｙ_２Ｏ_３作为助烧结剂的ＡｌＮ陶瓷的烧结特性及显微结构。结果表明，晶界处存在ＹＡｌＯ_３，Ｙ_４Ａｌ_２Ｏ_９及Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_（１２）等各种铝酸钇结晶物，Ｂ_２Ｏ_３可固溶到铝酸钇中形成固溶体。随烧结温度变化，第二相的种类、数量和分布不同，从而影响ＡｌＮ的热导率。在１８５０℃下，可获得热导率为１８９Ｗ／ｍ·Ｋ的ＡｌＮ陶瓷。     

Si_3N_4-Al_2O_3系陶瓷材料表面氧化层的XPS分析

Si2N4陶瓷材料具有高强度、耐磨、耐高温、耐热冲击和有自润滑性等特点,因此可作为高温结构材料。然而,Si3N4陶瓷材料在高温下使用时往往存在着氧化问题,这直接影响了Si3N4陶瓷材料的使用寿命和各种性能。对其氧化层中的方石英相大多是用X射线衍射分析（XRD）的方法来测定的。为了更好的研究Si3N4陶瓷材料表面氧化层的组成,在采用X射线衍射分析方法的同时,还采用XPS分析方法对表面氧化层中Si的存在状态进行了分析。首先对在空气中1300℃下氧化了100h的Si3N4陶瓷材料表面的氧化层进行了XPS分析,结果表明在表面氧化层中存在的…     

显微结构对Si_3N_4(Si_2ON_2)结合SiC质棚板性能的影响

通过X射线衍射、扫描电镜、压汞议、立体显微镜等检测手段,对Si3N4(Si2ON2)结合SiC质棚板的显微结构进行了剖析,揭示了显微结构对SiC质棚板宏观性能的影响。认为结合相的抗氧化性及氧化“釉层”的稳定性是决定棚权使用寿命的关键;气孔结构及分布是影响Si3N4(Si2ON2)结合棚极热震稳定性的重要因素。