高温热处理对SiBCN/HfC复相陶瓷物相组成及微观结构的影响

采用高能球磨-机械合金化法制备出非晶SiBCN粉末,并用放电等离子烧结(SPS)法制备SiBCN/HfC复相陶瓷。用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等研究了高温热处理对其物相组成与微观形貌的影响。研究结果表明,在机械合金化制备非晶SiBCN粉体过程中引入的氧,使BN氧化生成B₂O₃。在陶瓷烧结时部分HfC发生氧化生成HfO₂,使1600℃热处理后, HfO₂经碳热还原反应还原成HfB₂,并在陶瓷基体内产生气孔。在1650和1800℃热处理过程中,HfO₂被还原成HfB₂后,基体中的HfC按照HfC+2C+B₂O₃=HfB₂+3CO反应转化为HfB₂。引入氧使SiBCN/HfC陶瓷在高温下发生物相转化,陶瓷基体也因气体产物的挥发变得疏松多孔。因此,控制氧含量对SiBCN/HfC复相陶瓷...     

反应烧结制备Si3N4/SiC复相陶瓷及其力学性能研究

以两种不同配比Y₂O₃/Al₂O₃ (A, 2:3; B, 3:1, 总量15 wt%)为烧结助剂, 通过添加不同质量分数的SiC粉体,反应烧结制备了高强度的氮化硅/碳化硅复相陶瓷。并对材料的相组成、相对密度、显微结构和力学性能进行了分析。结果表明: 在1700℃保温2 h情况下, 烧结助剂A 与B对应的样品中α-Si₃N₄相全部转化为β-Si₃N₄; 添加5wt% SiC, 烧结助剂A对应样品的相对密度达到最大值94.8%, 且抗弯强度为521.8 MPa, 相对于不添加SiC样品的抗弯强度(338.7 MPa)提高了约54.1%。SiC能有效改善氮化硅基陶瓷力学性能, 且Si₃N₄/SiC复相陶瓷断裂以沿晶断裂方式为主。     

注凝成型制备ZTA复相陶瓷

讨论了pH值、分散剂添加量、 ZrO₂(3Y)含量和固相体积分数对氧化锆增韧氧化铝(Zirconia toughened alumina, ZTA) 陶瓷注凝成型浆料粘度的影响,研究了注凝成型的烧结样品的性能和显微结构。结果表明,当pH值为8.5、分散剂添加量为0.9%时,可以制备固相体积分数达55%的低粘度ZTA (20%ZrO₂) 悬浮体。高固相悬浮体制备的烧结试样具有结构致密、ZrO₂分布较均匀和t-ZrO₂含量高等特征,其强度和断裂韧性分别达631.5 MPa和7.64 MPa · m1/2。      

B4C-NbB2复相陶瓷的SPS反应烧结及固溶强化

以NbC和无定形B粉为原料，采用放电等离子烧结(SPS)法在2000℃/50 MPa条件下制备B₄C-NbB₂复相陶瓷，研究摩尔分数为0.1的TiC或ZrC替代NbC对复相陶瓷物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明：以0.1的TiC或ZrC替代NbC后，反应烧结形成的TiB₂,ZrB₂可与NbB₂分别固溶形成Nb_0.9Ti_0.1B₂,Nb_0.9Zr_0.1B₂相。Ti, Zr固溶可有效提升复相陶瓷的烧结致密度，细化组织，获得优异的力学性能，且Zr固溶产生的效果更佳。B₄C-Nb_0.9Zr_0.1B₂复相陶瓷的致密度、三点抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为99.5%,676 MPa, 31.0 GPa和5.5 MPa·m^1/2。致密...     

浆料固相含量对数字光处理成形Si3N4陶瓷性能的影响

随着科技的不断发展, Si₃N₄陶瓷在航空、机械、生物医疗等高新领域发挥着越来越重要的作用。本工作采用包覆助烧剂Al₂O₃-Y₂O₃后的Si₃N₄粉体为原材料, 利用数字光处理(Digital light processing, DLP)技术成功制备出Si₃N₄陶瓷, 并系统研究了浆料固相含量对Si₃N₄陶瓷浆料、DLP成形Si₃N₄陶瓷素坯和陶瓷性能的影响。研究表明, 浆料固相含量低于40.0% (体积分数)时, 浆料在30 s^-1剪切速率下的粘度均小于2 Pa·s, 可用于DLP成形。在这种情况下, 浆料的单层固化深度随浆料固相含量的增加而减小。随着浆料固相含量的增大, DLP成形Si₃N₄陶瓷的相对密度和抗弯强度先升高后降低。固相含量为37.5% (体积分数)的样品获得最大的相对密度和抗弯强度, 分别为89.8%和162.5 MPa, 较固相含量为32.5% (体积分数)的样品分别提升了10%和16%。本研究通过对陶瓷浆料性能的优化, 提升了DLP成形Si₃N₄陶瓷的性能, 为Si₃N₄等非氧化物陶瓷光固化成形奠定了实验基础。     

Eu3+、Dy3+和Er3+对制备堇青石晶相转变的对比表征

以菱镁矿风化石、工业Al₂O₃和SiO₂微粉为原料, 固相反应烧结合成制备堇青石。通过在反应物中分别加入不同含量的Eu₂O₃、Dy₂O₃和Er₂O₃, 研究分析和对比了Eu³⁺、Dy³⁺和Er³⁺对堇青石晶相组成、晶粒大小、晶胞常数、结晶度及显微结构的影响。采用XRD和SEM表征试样中的晶相和显微结构, 利用X'Pert Plus软件对结晶相的晶胞参数和结晶度进行分析, 采用半定量法对试样晶相组成进行计算, 利用Scherrer公式计算堇青石的晶粒大小。结果表明: 由于Eu₂O₃、Dy₂O₃和Er₂O₃的加入, 通过固相反应烧结所得堇青石试样中出现了莫来石相, Eu³⁺、Dy³⁺和Er³⁺对Mg²⁺的置换作用改变了堇青石相晶格常数和晶胞体积。随着添加剂含量的增加, 堇青石结构中液相量增加, 相对结晶度降低, 常温致密度提高, 堇青石晶粒粒径减小。综合对比分析, Eu₂O₃对堇青石晶相转变的影响程度最弱, Er₂O₃对堇青石晶相转变的影响程度最强, 对提高合成堇青石的烧结性和热震稳定性效果最好。     

Fe2O3对原位制备SiCw/SiC太阳能储热陶瓷的结构与性能的影响

为调控SiC_w/SiC复相陶瓷中原位生长SiC晶须的生长发育和形貌, 以提高SiC复相储热陶瓷的性能, 在CF0配方(SiC 69.31wt%, AlN 20.30wt%, Si 10.39wt%)的基础上添加0.5wt%~2.0wt% Fe₂O₃作为催化剂。研究了Fe₂O₃对晶须形貌、生长机制及SiC复相陶瓷结构与性能的影响。研究结果表明, 引入Fe₂O₃后晶须生长机制由气-固机理转变为气-液-固机理。Fe₂O₃添加量通过调节C元素在Fe-Si熔球中的溶解度, 与烧成温度共同调控晶须形貌。经1500 ℃烧成的CF4(2.0wt% Fe₂O₃)样品性能最佳, 晶须直径50~100 nm, 长度1~6 μm, 其体积密度、抗折强度、比热容分别为2.19 g/cm ³、45.08 MPa、0.95 J/(g·K) (25 ℃), 热导率达18.15 W/(m·K) (25 ℃), 相比于未添加Fe₂O₃的样品增加了169%。气-液-固机理生长的SiC晶须缺陷少、直径大, 可有效降低晶须-基体传输势垒, 具有更好的热学性能。     

HfC前驱体的合成及其裂解行为研究

以HfCl₄、乙酰丙酮、无水甲醇、对苯二酚为原料, 采用一锅法合成了HfC陶瓷前驱体, 通过前驱体裂解制备得到了HfC陶瓷粉体。采用XRD、FTIR、SEM/EDS、TEM、SAED等分析手段对裂解产物的组成、形貌和微观结构进行了分析和表征, 利用TG-DSC和TG-MS对前驱体的裂解行为进行了研究。结果表明: HfC前驱体在600℃左右开始陶瓷化, 在1300℃左右开始形成HfC陶瓷相, 在1500℃及以上完全转化为HfC陶瓷及自由碳。HfC陶瓷相具有单晶结构, 颗粒粒径在50~100 nm之间。HfC陶瓷相的形成基于前驱体在低温段裂解形成的HfO₂的碳热还原反应, 裂解过程中形成的自由碳抑制了HfC晶体的生长。     

烧结气氛对 Er-Mg和 Er-Mn掺杂 BaTiO3陶瓷介电性能的影响

用固相法制备了Er-Mg和Er-Mn掺杂BaTiO3陶瓷,并研究烧结气氛对其微结构和电性能的影响.XRD显示样品经不同气氛烧结后均是赝立方相,在空气中烧结Er的固溶度约3.0m01%～4.0mol%,但还原气氛会抑制Er在BaTiO3中的固溶度,导致焦绿石相Er2Ti2O7出现.SEM显示Mg能抑制Er2Ti2O7晶粒的长大,而Mn促进此第二相的晶粒生长.研究表明,烧结气氛对受主离子的固溶度的作用将改变壳芯结构中壳/芯体积比,并且Mn离子的价态随气氛变化将移动居里点,从而显著影响电容变化率温度特性.采用适当的气氛烧结能够使两种介质都满足X8R要求.     

ZrB2-SiC-ZrC复相超高温陶瓷相组成的定量分析

以ZrB2-SiC-ZrC复相超高温陶瓷为研究对象,对X射线衍射的K值法、二次电子像结合背散射电子像、电子背散射衍射结合能谱面扫描三种相组成的定量分析方法进行了比较,结果显示K值法使用简单、方便;SEM的两种定量方法不仅可以定量分析相组成,还能反映相分布与相关系。三种定量方法的结果较一致,均显示该复相陶瓷实际相组成远远偏离反应烧结设计相组成,其中,ZrO2杂质相实际含量多于5vol%,ZrC相含量远低于理论值5vol%,K值法显示其含量甚至低于1vol%。相组成的定量分析为进一步开展微结构研究及复合材料设计提供了必要的技术基础。     

Turbomilling: A Processing Technique for Advanced Ceramics

Turbomilling, an innovative grinding technology developed by the U. S. Bureau of Mines in the early 1960's for delaminating filler-grade kaolin clays, has been expanded into the areas of particle size reduction and material mixing. An all-polymer version of the turbomill, originally called an attrition grinder, has been used to process advanced ceramic powders such as SiC, Si₃N₄, TiB₂, and Zr0₂. Autogenous milling in which the milling media and the material being milled are of similar composition, results in a high-purity powder. The turbomill has also been used for intimate mixing of high surface area powders and whiskers. Components for a TiN/AlN/Al₂O₃ composite mixed in the turbomill were homogeneously mixed and the sintered composites had higher strengths than samples prepared with dry ball milled powders. Other researchers have found that SiC whiskers were deagglomerated and uniformly dispersed in a SiC whisker reinforced alumina composite mixed in the turbomill.     

阶段占空比对ZrH1.8表面微弧氧化陶瓷层性能的影响

为了提高氢化锆表面微弧氧化陶瓷层的致密性及阻氢性能, 采用恒压模式对氢化锆基体进行微弧氧化处理, 在磷酸盐电解液体系下, 研究阶段占空比分别为40%-50%-60%、50%-60%-40%和60%-50%-40%三种情况下陶瓷层的生长过程。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、膜层测厚仪分析陶瓷层的形貌、相结构及厚度; 通过真空脱氢实验评价不同阶段占空比模式下获得陶瓷层的阻氢性能。研究结果表明: 不同阶段占空比模式下在ZrH_1.8表面可制得厚度分别为162.6、175.9、158.7 μm的氧化锆陶瓷层, 且所制微弧氧化陶瓷层均由M-ZrO₂、T-ZrO₂以及Zr_0.95Ce_0.05O₂三种物相组成, 阶段占空比对陶瓷层物相组成无显著影响; 阶段占空比为40%-50%-60%条件下, 氢化锆表面所制陶瓷层厚度达到162.6 μm, 氢渗透降低因子(Permeation Reduction Factor, PRF)达到12.5, 阻氢性能较佳。     

纳米碳含量对碳/碳化硅陶瓷的机械加工性及与玻璃熔体润湿性的影响

采用无压烧结法制备纳米碳颗粒(nano-Cp)改性碳化硅陶瓷 (C_p/SiC), 研究了不同纳米碳含量对C_p/SiC陶瓷的机械加工性及与玻璃熔体润湿性的影响。通过XRD和SEM对C_p/SiC陶瓷进行物相和显微分析。研究结果表明: 随着可加工相纳米碳含量的增加, C_p/SiC陶瓷的机械加工性能得到明显改善。根据陶瓷材料的机械加工指数(M)综合评价, M₁₅=0.921＞M₂₅=0.547＞M₅=0.056＞M₀=0.021(下标数字代表碳含量), 且15wt%C_p/SiC中的碳颗粒预先被氧化, 抑制了C_p/SiC陶瓷基体表面形成SiO₂, 阻止了C_p/SiC陶瓷与玻璃熔体的润湿, 使夹具材料与玻璃熔体不发生粘接, 适合用作玻璃夹具材料。     

Lattice Dynamics and Phase Transitions in KNbO3 and K0.5Na0.5NbO3 Ceramics

Phonons in both ceramic samples KNbO₃ (KN) and K_0.5Na_0.5NbO₃ (KNN-50) were investigated from 10 to 900 K by means of Raman, infrared, and THz spectroscopy. First-order transitions from cubic to tetragonal phases were detected at about 755 K (in KN) and 710 K (in KNN-50), where the first component of the polarization appears. Transitions from the tetragonal to the orthorhombic phases take place around 510 and 475 K, respectively. The last transitions from orthorhombic to rhombohedral phases are strongly first-order type. T_C is shifted from 200 K in KN to about 90 K in KNN-50. All Raman active modes below 200 cm^-1. disappear in KN but not in KNN-50. The overdamped soft mode present at high temperatures in the THz range changes its dielectric strength at each phase transition (when the corresponding component jumps to higher frequencies) and abruptly disappears from THz spectra in the rhombohedral phase, because it stiffens up to 200 cm^-1. This mode has lower frequency and higher dielectric strength in KNN-50.     

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC和HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为.研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC...     

高性能陶瓷材料的俄歇能谱分析

降低陶瓷材料表面电荷的积累一直是俄歇分析技术能否成功应用于该类材料必须解决的首要问题. 通过实验认为：陶瓷材料试样减薄法可以用来降低表面电荷.采用这种方法,样品可分析区域大小仅依赖于电子束斑尺寸. 因而,用Microlab 310--F热场发射扫描俄歇微探针分析仪能在几十纳米的微区内,获取结构信息和除氢氦外的化学成分信息,突破了陶瓷材料在低电压、低电流下约几十微米的分析范围. 在此基础上,挑选了掺Dy的α-Sialon ,掺Y、La的α-Si₃N₄与以Al₂O₃为基体加入SiC晶须, 并通氮气氛处理的三种高性能陶瓷作为实验对象,分析和研究它们的晶粒、界面的成份、化学态和结构.发现α-Si₃N₄和α-Sialon陶瓷中的Si(LVV, KLL)峰位都会向低能端漂移,峰位分别为: 84eV 和1613eV. Si--N--O的结合态又使Si(LVV)峰继续漂移到80eV左右. 掺Y、La的α-Si₃N₄的玻璃相区, Si至少以两种或者两种以上的化学态存在.掺Dy的α-Sialon陶瓷的局部区域内有四种组分不同的固溶相及三种组分不同的晶间相. 另外, 在SiC与SiC-BN-C纤维补强复合陶瓷材料的断裂面,观察到从SiC基体拔出的纤维表面的大部分是残留的C层与C-BN交界层.     

Characterization and microstructural evolution of SiC(OAl) fibers to SiC(Al) fibers derived from aluminum-containing polycarbosilane

The SiC(OAl) fibers and the SiC(Al) fibers were fabricated by the use of aluminum-containing polycarbosilane (Al–PCS) precursor. The two types of fibers have been characterized. Chemical element analysis, AES, SEM, XRD, RMS and NMR have been employed. The chemical formula of SiC(OAl) fibers is SiC_1.31O_0.25Al_0.018 with C and O rich on the surface. The microstructure of SiC(OAl) fibers is a mixture of β-SiC nanocrystals, free carbon, and an amorphous silicon oxycarbide (Si–C–O phase), which have been confirmed by an amount of SiC₂O₂, SiCO₃, SiO₄ and SiC₃O units in the ²⁹Si MAS NMR spectrum. A small quantity of aluminum is embedded uniformly in the Si–C–O amorphous continuous phase. For SiC(Al) fibers, nearly stoichiometric composition was confirmed as chemical composition of SiC_1.03O_0.013Al_0.024. The fiber is composed of a large number of β-SiC crystallites, a small amount of -SiC crystalline and SiC amorphous phase. The aluminum in the SiC(Al) fibers mainly exists in two manners: Al–C bonds connected with the surfaces of the β-SiC grains and Al–O bonds, or Al₂O₃, to the amorphous phase.     

成形压力对SiC/TiB2复合材料组织与性能的影响

基于熔融Si浸渗法制备出较致密的SiC/TiB₂复合材料, 并研究了坯体成形压力对SiC/TiB₂复合材料致密度、相组成、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明, 复合材料由TiB₂、SiC和Si相组成。SiC/TiB₂复合材料的显微组织特征为: TiB₂相和SiC相均匀分布, 游离Si填充在TiB₂相和SiC相的空隙处, 且形成了连续相。随成形压力的增大, 复合材料中游离Si含量降低, TiB₂颗粒尺寸减小, 复合材料的力学性能先增加后降低。坯体最佳成形压力为200 MPa, 对应SiC/TiB₂复合材料的体积密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为3.63 g/cm³、0.90%、(354±16) MPa、(6.8±0.2) MPa·m^1/2和(21.0±1.1) GPa。