刚玉氮化硅复合材料表面氧化膜的形成动力学

以刚玉粉和氮化硅粉为原料,借助微量热分析天平,结合X射线衍射和扫瞄电镜等检测手段,对刚玉氮化硅复合材料表面氧化膜的形成动力学机理进行了研究,并推导出了动力学方程.研究结果表明材料表面氧化膜的形成动力学可分为三个阶段:化学反应速度控制阶段,动力学方程为△W=Kc·t,其中Kc=52.21exp(-73806.3/RT);混合控制阶段,动力学方程为(△W)2+KO/Kc(△W)＝Km·t,其中Km=253.81exp(-85644.2/RT);扩散速度控制阶段,动力学方程为(△W)2=Kd·t,其中Kd=31.12exp(-66522.1/RT).     

硅粉加入量对刚玉-氮化硅复合材料力学性能的影响

以刚玉、氮化硅、粘土和硅粉为主要原料,在空气气氛下于1550℃保温3h烧成制得刚玉-氮化硅复合材料,研究了硅粉加入量(w)分别为0、4%、8%、12%时对试样常温物理性能、高温抗折强度的影响,并采用XRD、SEM、EDS等手段分析了试样的物相组成和显微结构。结果表明:在硅粉加入量<8%时,Si主要填充在烧成制品基质的空隙中;随着硅粉加入量的增加,制品致密化程度提高,常温强度增大,同时由于硅粉原位生成了纤维状赛隆而使制品的高温强度增大;但在硅粉加入量>8%时,Si可能构成连续相,又导致制品致密度下降和高温力学性能恶化。     

刚玉-氮化硅复合材料现状

本文分析了陶瓷杯的损毁机理及陶瓷杯耐火材料的发展。重点总结了目前刚玉—氮化硅复合耐火材料的研究。     

刚玉-氮化硅复合材料研究现状

分析了陶瓷杯的损毁机理及陶瓷杯耐火材料的发展。重点总结了目前刚玉-氮化硅复合耐火材料的研究现状。     

硅在刚玉-氮化硅系统中的作用

按氧化铝含量分别为 6 2 .5 %和 5 0 % ,氮化硅含量为 37.5 % ,硅含量分别为 0和 1 2 .5 %的配比将氧化铝、氮化硅和商品硅粉在小型球磨机上混合 2h ,充分干燥后加入约 4 %的蜂蜜混合均匀 ,压制成2 5mm× 2 0mm的样坯。样坯于 1 0 0℃干燥 2 4h后置于钼丝炉中 ,在埋炭并通以 4L·min- 1氮气的条件下分别于1 30 0℃、1 4 0 0℃和 1 5 0 0℃下保温 2h烧成。通过对烧成后试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度的测定以及XRD、SEM和能谱分析 ,重点研究了硅对刚玉 -氮化硅系统的强度、物相组成和显微结构的影响。结果表明 :在刚玉 -氮化硅系统中引入硅后 ,由于硅能在烧成过程中形成液相 ,因此能促进坯体的烧结 ,提高烧成试样的强度 ;硅在烧成过程中能反应生成絮状O’ SiAlON ,絮状O’ SiAlON交织于刚玉和氮化硅颗粒间 ,进一步增强了烧成试样的强度     

硅粉氮化反应合成氮化硅

研究了硅粉直接氮化反应合成氮化硅粉末的工艺因素（包括硅粉粒度、氮化温度、成型压力、稀释剂含量等），借助XRD、SEM等测试手段测定和观察了氮化产物的物相组成和断口形貌。研究结果表明：硅粉在流动氮气氛下，高于1200℃氮化产物中氮含量明显增加；在氮化反应同时还伴随着硅粉的熔结过程，它阻碍硅粉的进一步氮化，其影响程度与氮化温度、氮化速度，素坯成型压力及硅粉粒度等工艺因素有关。在硅粉素坯中引入氮化，其影响程度与氮化温度、氮化速度，素坯成型压力及硅粉粒度等工艺因素有关。在硅粉素坯中引入氮化硅作为稀释剂，提高了硅粉的氮化率，使产物中残留硅量降低；同样在实际生产中可以通过控制适当热处理制度（如分段保温、慢速升温），达到硅粉的完全氮化。在生产中批量合成了含氮量为32．5％，残留硅量为0．05％，主要为α相，含少量β相的针状、柱状的氮化硅。     

铝粉对刚玉-氮化硅复合材料微观结构和性能的影响

借鉴"过渡塑性相工艺"思想,在刚玉-氮化砖复合材料中引入12.5%(质量分数)的铝粉,研究了铝粉对刚玉-氮化硅复合材料成型性能以及1 600℃空气中烧成后样品的体积密度、显气孔率和耐压强度的影响:利用X射线衍射仪和扫描电镜对材料的物相和微观结构进行了分析.结果表明:在刚玉-氮化硅复合材料中引入铝粉,有利于成型过程中孔隙...     

初始硅粉粒度对自蔓延高温合成氮化硅的影响

研究了平均粒度分别为２,７．８和１５．４μｍ的３种初始硅粉在氮气中的燃烧氮化规律。初始硅粉粒度越细,则在氮气中的燃烧温度高越高,燃烧滤蔓延速度越快,激活能也越低;较细的硅粉表面的硅蒸发通量大,ｐｓｉ高,易于形成延长方向与硅粉表面垂直的针状或柱状、纤维状晶体;而较粗的硅粉则易于形成氮化硅包覆层,且可以通过“包覆爆裂”机制继续进行二次氮化。较细的硅粉在氮气中的燃烧温度曲线上只出现一次燃烧峰,而较粗的硅     

空气气氛中烧成刚玉-氮化硅复合材料的研究

对刚玉-氮化硅复合材料在氮气中埋炭、空气中埋炭和空气 3种气氛中加热时可能发生的、对烧结有影响的重要反应进行了热力学分析,然后按m(Al2O3 ) : m(Si3N4 ) =62. 5: 37. 5的配比制成试样,在上述 3种气氛中于 1600℃保温 2h烧成,并对烧成后试样的性能、相组成以及空气气氛中烧成后试样的显微结构进行了分析。结果表明:在氮气中埋炭或空气中埋炭烧成时,材料的烧结情况没有在空气气氛中的好;在氮气中埋炭和空气中埋炭烧成后试样中分别生成了少量的β SiAlON或SiC,而在空气气氛中烧成后试样中出现了莫来石、石英和X相,残留了较多的β Si3N4;在空气气氛中烧成后,试样断面明显分为氧化层和非氧化层,其间有一沉积致密层。     

氮化硅结合碳化硅耐火材料的氧化

氮化硅结合碳化硅耐火材料高温氧化后，其抗折强度有所提高，但经扫描电镜观察，材料断面结构已发生了明显的变化。该材料长时间在氧化气氛中使用，可靠性将下降。     

Si粉和Si-Al复合粉加入量对原位合成Al2O3-SiC-SiAlON材料抗氧化性的影响

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉、Si粉、Al粉为原料,在普通刚玉砖的配料中分别加入5%(质量分数,下同)和8%的Si粉或7%(Si) 1%(Al)、5%(Si) 3%(Al)和3%(Si) 5%(Al)的Si-Al复合粉,以树脂为结合剂,在150MPa下成型为25mm×25mm×125mm的5组试样,经150℃24h固化后,在埋炭条件下于1500℃保温3h烧成,冷却后在空气中进行常规热重分析和大试样热重分析,测量氧化后试样剖面的氧化层厚度和氧化面积百分数,并进行了相应的XRD和SEM分析。结果表明:1)原位合成的刚玉-SiC-SiAlON试样的氧化属于保护性氧化;2)随着Si粉加入量的增加,试样的抗氧化性增强;随着Al粉的加入及其加入比例的增大,试样的抗氧化性减弱。     

Effects of amino groups on dispersibility of silicon nitride powder in aqueous media

Silicon nitride (Si₃N₄) powders were subjected to amination modification by grafting γ-aminopropyltriethoxysilane (APTES) via a direct blending method in solution. Fourier transform infrared (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses indicated that the hydroxyl groups present on the surface of Si₃N₄ powder particles interacted with the silanols groups of APTES to combine through covalent bonding. Thermogravimetric analysis (TGA) suggested that the grafting of APTES on Si₃N₄ powder surface was successful with grafting content reaching up to 7%. Compared to native Si₃N₄, the surface hydrophilicity of amino Si₃N₄ powder was enhanced and dispersibility was improved. Overall, these findings indicated the promising aspects of amination modification and future potential use in environmental protection by using water instead of organic solvents during Si₃N₄ ceramic formation process.     

Mechanical and dielectric properties of functionalized boron nitride nanosheets/silicon nitride composites

Uniformly dispersed boron nitride nanosheets (BNNSs) reinforced silicon nitride (Si₃N₄) composites were prepared by surface modification assisted flocculation combined with SPS sintering. In order to improve the dispersibility of the BNNSs in the composites, the liquid phase stripped BNNSs are surface functionalized by a two-step covalently modification. The amino-modified BNNSs (NH₂-BNNSs) and Si₃N₄ powders have opposite surface potential, mixed evenly by electrostatic interaction during flocculation. The results showed that mechanical properties of Si₃N₄ composites were obviously enhanced by adding NH₂-BNNSs. The fracture toughness and bending strength of Si₃N₄ composites added 0.75 wt% NH₂-BNNSs were increased by 34% and 28%, respectively, compared with monolithic Si₃N₄. Toughening mechanisms are synergistic action of the torn, pull-out or bridging of BNNSs and crack deflection mechanisms with microstructural analyzes. The dielectric properties of the Si₃N₄ ceramics are also improved after the addition of NH₂-BNNSs.     

Bioactive silicon nitride by surface thermal treatment

Silicon nitride-based ceramics with SiO₂, CaO and Ca₃(PO₄)₂ as sintering additives, have been prepared in order to study the bioactivity. Dense ceramic bodies were oxidized by an oxy-acetylene flame at approx. 1475 °C for 60 s, in order to modify the surface in terms of bioactivity enhancement and the formation of optimal porosity for cell viability. During oxidation two concurrent processes occurred on the ceramic body surface: (i) formation of thin glassy layer with a composition close to that of grain boundary phase in ceramic body, and (ii) partial decomposition of silicon nitride matrix. The latter one resulted in the formation of gases (N₂ and SiO), which formed bubbles in the viscous surface glassy phase, resulting in porosity required for cell adhesion (small pores) and tissue ingrowth (large pores). The best bioactivity was obtained for oxy-acetylene flame treated Si₃N₄ ceramics with Ca₃(PO₄)₂ sintering additive.     

硅复合刚玉-氮化硅材料的性能、组成及显微结构

将由50% (质量分数,下同)氧化铝粉、37. 5%氮化硅粉和12. 5%硅粉组成的混合料和由62. 5%氧化铝粉和37. 5%氮化硅粉组成的混合料分别压制成试样,分别在空气和埋炭气氛中于1600℃保温2h烧成,然后检测试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度,并采用XRD、SEM、EDS等手段分析试样的物相组成和显微结构。结果表明:与未加硅粉的试样相比,加入硅粉的试样在两种气氛中烧成后,显气孔率较低,强度较大,说明硅对刚玉-氮化硅材料具有助烧结作用;在空气中烧成后,试样中残留有较多的单质硅,这些单质硅均匀分布于刚玉和氮化硅颗粒的空隙间;在埋炭气氛中烧成后,单质硅原位反应生成了O’SiAlON和SiC。     

Effect of homogenization treatment on the fracture behaviour of silicon nitride/graphene nanoplatelets composites

Si₃N₄ based composites with 7 wt.% of graphene nanoplatelets (GNPs) were prepared using different homogenization methods. Si₃N₄/GNPs powder mixtures were dispersed in isopropanol and homogenized by attritor milling, ball milling or planetary ball milling. The ball milling technique was also used for the homogenization of Si₃N₄/GNPs mixture in dry state. Fractography analysis was carried out in order to assess the individual homogenization treatment. Depending on the homogenization methods, the size of the processing flaws varied from 20 μm up to 400 μm. The agglomeration of the GNPs and the residual porosity were found as the most frequently observed types of the critical flaws. The planetary ball milling with previous ultrasonication of GNPs in isopropanol was found to be the most promising homogenization technique, resulting in the composites with the highest bending strength (average value is 740 MPa) and the lowest average size of the processing flaws (around 20 μm).     

金属铝粉对刚玉-氮化硅材料性能的影响

借鉴“过渡塑性相工艺”的思想,在刚玉- 氮化硅材料中引入12.5%(质量分数)的铝粉,研究 了铝粉的加入对刚玉-氮化硅材料的成型性能以及 烧成后试样的体积密度、显气孔率、载荷-变形曲线 (断裂韧性)、物相组成和显微结构的影响。结果表 明:在刚玉-氮化硅材料中引入铝粉后,由于铝粉的 塑性有利于成型过程中孔隙的填充,使得干坯致密度 提高;试样在空气气氛中烧成后,由于铝粉原位氧化 生成的活性氧化铝与氮化硅氧化生成的二氧化硅反 应,生成了针柱状的莫来石晶体或晶须,对烧结体具 有补强增韧作用。     

过渡塑性相工艺制造刚玉-氮化硅质透气砖的研究

在刚玉 -氮化硅材料中添加 5 %和 1 0 %的金属硅进行塑性相成型 ,成型后在氧化气氛下于1 60 0℃保温 3h烧成。对烧成后材料的常温性能进行分析发现 ,随着金属硅含量的增加 ,试样的显气孔率明显下降 ,耐压强度上升。显微结构分析发现 ,烧成后材料的内部仍然有金属硅存在 ,并且金属硅与周围颗粒紧密连结。同时还发现 ,材料内部的氮化硅发生反应生成了氧氮化硅 ,有利于氮化硅材料的烧结 ,提高了材料的性能。