MgO–Al_2O_3–CeO_2复合烧结助剂对放电等离子烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响

以MgO–Al_2O_3–CeO_2复合体系为烧结助剂,采用放电等离子烧结工艺制备氮化硅陶瓷。研究了MgO–Al_2O_3–CeO_2含量、烧结温度对氮化硅陶瓷显微结构及力学性能的影响;探讨了复合烧结助剂作用下氮化硅陶瓷的烧结机理。结果表明:当混合粉体中Si_3N_4、MgO、Al_2O_3和CeO_2的质量比为91:3:3:3、烧结温度为1600℃时,氮化硅烧结体相对密度(99.70%)、硬度(18.84GPa)和断裂韧性(8.82MPa?m1/2)达最大值,晶粒以长柱状的β相为主,α-Si_3N_4→β-Si_3N_4相转变率达93%;当混合粉体中Si_3N_4、MgO、Al2O3和CeO_2的质量比为88:4:4:4、烧结温度为1600℃时,烧结体抗弯强度(1086MPa)达到最大值。     

基于烧结助剂和烧结温度协同优化的高强韧Si3N4陶瓷研究

以Al_2O_3-Y_2O_3和Mg O-Y_2O_3为烧结助剂,通过热压烧结分别在1600℃和1800℃下制备Si_3N_4陶瓷。结果表明:以Al_2O_3-Y_2O_3助剂时,在1800℃热压烧结制备的Si_3N_4陶瓷具有显著的双峰结构和优异的综合力学性能,其硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为15.60±0.27 GPa、1105.99±68.39 MPa和7.13±0.37 MPa·m~(1/2);以Mg O-Y_2O_3为助剂时,在1600℃热压烧结制备的Si_3N_4陶瓷具有较高的致密度,显微结构含有长径比较高的晶须状Si_3N_4晶粒,并且具有优异的综合力学性能,其硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为16.53±0.21 GPa、1166.90±61.73 MPa和6.74±0.17 MPa·m~(1/2)。因此,在研究烧结助剂对Si_3N_4陶瓷性能的影响时,需结合其特定合适的烧结温度,才能有望获得综合性能优异的Si_3N_4陶瓷。     

烧结温度对放电等离子烧结氮化硅陶瓷显微结构和力学性能的影响

以亚微米级氮化硅为原料、Al_2O_3–Y_2O_3为烧结助剂,利用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)烧结技术制备氮化硅陶瓷。用X射线衍射和扫描电子显微镜对试样的物相组成和显微结构进行分析,研究了烧结温度对氮化硅陶瓷力学性能和显微结构的影响。结果表明,采用SPS烧结技术可在较低温度下获得致密度较高、综合力学性能较好的β相氮化硅陶瓷。随着烧结温度的提高,样品致密度、抗弯强度、断裂韧性均不断增大,在1 550℃时,其抗弯强度和断裂韧性分别达到973.74 MPa和8.23 MPa?m1/2。在1 550℃以下,陶瓷样品中β相氮化硅含量可达到98%,显微结构均匀,晶粒发育良好、呈长柱状,晶间紧密连接,晶间气孔较少。继续升高温度,部分晶粒发生异常长大,产生了更多的显微孔洞,抗弯强度急剧下降。     

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。     

自增韧氮化硅陶瓷的制备与性能研究

氮化硅陶瓷具有优异的物理机械性能和化学性能,被广泛应用于高温、化工、冶金、航空航天等领域。在结构陶瓷中氮化硅陶瓷虽具有相对较高的断裂韧性,但为了进一步拓宽氮化硅陶瓷的运用领域和提高其使用可靠性,改善其断裂韧性一直是该材料研究的重要课题。笔者通过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和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674 MPa,断裂韧性为6.34 MPa·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达到686 MPa和7.42 MPa·m~(1/2)。笔者通过无压烧结工艺,在1 750℃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,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。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,掺杂量为2wt%时,断裂韧性达到最大(7.68 MPa·m~(1/2)),提高了20%以上。     

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%。     

Si_3N_4-TiZrN_2-TiN复合导电陶瓷

以制备可用电火花加工的氮化硅基陶瓷材料为目的,用Zr N-Ti N作为导电相,以Y_2O_3、La_2O_3、Al N作为烧结助剂,在1750℃无压烧结Si_3N_4-Ti Zr N_2-Ti N复合导电陶瓷。测试了试样的烧结特性、机械性能及导电性能,用XRD和SEM分析表征了试样的物相和显微结构。其结果为:相对密度接近98%;试样的机械性能良好,抗弯强度可达到960 MPa,显微硬度为14.7 GPa,断裂韧性为7.6 MPa·m~(1/2);试样的电阻率由单相氮化硅陶瓷的10~(13)?·cm降低到复合导电陶瓷的10~(-2)?·cm数量级,可用电火花进行加工。物相分析表明,试样中生成了Ti Zr N_2新物相,形成了Si_3N_4-Ti Zr N_2-Ti N复合导电陶瓷。显微分析表明,试样中的三种晶粒均在2μm以下,具有相互结合紧密且分布较均匀的显微结构。     

烧结温度对气压烧结氮化硅铁显微结构及性能的影响

以微米级氮化硅铁为原料、Al_2O_3–Y_2O_3为烧结助剂,采用气压烧结制备氮化硅铁复相陶瓷。通过X射线衍射和扫描电子显微镜对试样的物相组成和显微结构进行了表征,研究了烧结温度对氮化硅铁复相陶瓷成分、显微结构和力学性能的影响。结果表明:烧结温度对于氮化硅铁陶瓷的显微结构和力学性能具有显著影响。随着烧结温度的升高,样品致密度、抗弯强度、断裂韧性先增大后降低,在1 770℃时均达到最大值,密度、抗弯强度和断裂韧性分别达到3.31 g/cm~3、435 MPa和6.97 MPa?m~(1/2)。在1 770℃以下时,陶瓷样品中主晶相为长柱状的β-Si3N4,晶粒彼此间结合紧密,陶瓷气孔率较低。温度继续升高,含铁相和氮化硅发生反应,气孔率增大,抗弯强度和断裂韧性开始下降。如果进一步提高硅铁的氮化率,采用游离硅低、铁含量低及纯度较高的氮化硅铁粉末制备氮化硅铁陶瓷,材料的性能有望得到进一步的提高。     

Al2O3–RE2O3(RE=Lu,Y,Gd,La)烧结助剂对Si3N4陶瓷结构和性能的影响

以α-Si_3N_4粉末为原料、Al_2O_3–RE_2O_3(RE=Lu,Y,Gd和La)为烧结助剂,在1 800℃压烧结制备氮化硅陶瓷,研究了不同烧结助剂对材料的相组成、微观结构和力学性能的影响。结果表明:样品中α-Si_3N_4完全转化为β-Si_3N_4,所形成的长柱状晶粒生长发育良好。随着稀土阳离子半径的增大,材料的相对密度和力学性能呈增加趋势,其中Si_3N_4–Al_2O_3–Gd_2O_3的抗弯强度和断裂韧性分别达到860 MPa和7.2 MPa·m~(1/2)。由于稀土离子对烧结液相黏度的影响,Si_3N_4–Al_2O_3–Lu_2O_3和Si_3N_4–Al_2O_3–Y_2O_3中出现了晶粒异常长大的现象,而Si_3N_4–Al_2O_3–La_2O_3的基体与柱状晶粒界面结合较大导致材料力学性能降低。     

高热导率碳化硅基复合材料制备与性能研究

采用热压烧结法制备了BaAl_2Si_2O_8/SiC复合材料,研究了烧结温度和BaAl_2Si_2O_8含量对BaAl_2Si_2O_8/SiC复合材料显微结构和力学性能的影响。结果表明:随着BaAl_2Si_2O_8含量增加复合材料的致密度逐渐增加,虽然烧结温度和BaAl_2Si_2O_8含量都会对复合材料的致密度造成影响,但是BaAl_2Si_2O_8含量对复合材料致密度的影响相对高于烧结温度的影响;不同烧结温度下BaAl_2Si_2O_8/SiC复合材料都由六方BaAl_2Si_2O_8相和α-SiC相组成;相同烧结温度下SiC相形貌并没有随着BaAl_2Si_2O_8含量的增加而发生显著变化,而在相同BaAl_2Si_2O_8含量条件下升高烧结温度会使得SiC相尺寸有所长大;在烧结温度分别为1 788℃和1 888℃时复合材料的弹性模量、抗弯强度和断裂韧性都随着BaAl_2Si_2O_8含量的增加而增大,且在相同BaAl_2Si_2O_8含量条件下在烧结温度为1 888℃时复合材料的弹性模量、抗弯强度和断裂韧性都高于烧结温度为1 788℃时的复合材料。     

热压添加复合助剂的Si3N4陶瓷的显微结构与力学性能

本工作对两种成分的Si_3N_4陶瓷进行了热压烧结。测定了密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性等性能指标。在扫描电镜下进行了显微结构及断口观察。研究表明,同时加入几种添加剂(Y_2O_3、MgO、AIN、Al_2O_3等)对形成均匀致密、长径比大,粒径小的柱状β-Si_3N_4有利,高的断裂韧性和抗弯强度的获得主要取决于以柱状β晶为基本特征的显微结构。     

基于高SiO_2含量的Si_3N_4基陶瓷显微结构与力学性能

通过在高纯Si_3N_4粉中直接加入SiO_2粉体,来模拟高氧含量的Si_3N_4粉体,然后引入三元助剂Al_2O_3-Y_2O_3-TiO_2,促进致密化。结果表明:当SiO_2含量为4.5%(质量分数)时,SiO_2主要参与晶界玻璃相的形成,显微结构粗化,长棒状β-Si_3N_4晶粒的平均直径为(0.99±0.15)μm,硬度、强度和断裂韧性分别为(15.1±0.3)GPa、(468.6±15.6)MPa和(11.0±0.4)MPa·m~(1/2)。当SiO_2含量为9%时,除了形成晶界玻璃相,部分SiO_2还与Si_3N_4和Al_2O_3反应形成O'-Sialon相;通过晶界钉扎效应,O'-Sialon抑制了β-Si_3N_4晶粒的长大,长棒状β-Si_3N_4晶粒的平均直径为(0.56±0.13)μm,硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为(17.1±0.7)GPa、(435.3±65.0)MPa和(11.1±1.0)MPa·m~(1/2)。因此,与含4.5%SiO_2粉体制备的Si_3N_4陶瓷相比,含9%SiO_2粉体制备的Si_3N_4陶瓷具有更细小的晶粒和更高的硬度。     

添加TiCN相对热压烧结Si3_N_4陶瓷力学性能的影响

本文以α-Si_3N_4为主要原料,3wt%Al_2O_3和5wt%Y2O_3为烧结助剂,TiCN为添加剂,通过热压烧结,详细研究了低烧结温度条件下TiCN的粒度和含量对Si_3N_4陶瓷的力学性能的影响。研究结果表明:在烧结温度为1600℃的条件下,TiCN的平均粒度约为1μm时,其增韧效果较为明显,且即随着TiCN添加量的增加,Si_3N_4陶瓷的韧性逐渐增加,从TiCN添加量为5%时的5.7±0.2 MPa·m~(1/2)增加到20%时6.5±0.2MPa·m~(1/2),且Si_3N_4陶瓷的硬度保持较高(约为17.7±0.2 GPa),从而在低温条件下制备出了高硬度、高韧性的Si_3N_4陶瓷。     

添加Mg-Al-Si体系烧结助剂的氮化硅陶瓷的无压烧结

以MgO-Al2O3-SiO2体系作为烧结助剂,研究了氮化硅陶瓷的无压烧结。着重考察了烧结温度、保温时间以及烧结助剂用量等工艺因素对氮化硅陶瓷材料力学性能和显微结构的影响,通过工艺调整来设计材料微观结构以提高材料的力学性能。在烧结助剂质量分数为3.2％的情况下,经1 780℃,3 h无压烧结,氮化硅大都呈现长柱状β-Si3N4晶粒,具有较大的长径比,显微结构均匀。样品的相对密度达99%,抗弯强度为956.8 MPa,硬度HRA为93,断裂韧性为6.1 MPa·m1/3。具有较大长径比晶粒构成的显微结构是该材料表现较高力学性能的原因。     

含三元烧结助剂的氮化硅陶瓷刀具切削性能研究

利用三元烧结助剂MgO-Lu_2O_3-Re_2O_3(Re代表La、Gd、Er、Yb)对Si_3N_4陶瓷粉体进行热压烧结制成刀具,对一部分SN-Lu Yb样品再进行热处理,以使Si_3N_4陶瓷晶间玻璃相转变为结晶相。对以上所有样品进行断裂韧性、维氏硬度和XRD测试,然后在同工况下切削铸铁HT250。采用SEM和EDS分析切削后刀具的磨损表面形貌和元素成分。研究表明,利用三元烧结助剂MgO-Lu_2O_3-Re_2O_3烧结制备的Si_3N_4陶瓷样品完全满足切削刀具的使用要求,在切削铸铁HT250实验中,刀具磨损形式主要为磨粒磨损和粘结磨损,所有样品的切削寿命均超过了进口同型号Si_3N_4刀具,另外,经过热处理的SN-LuYb的切削寿命大幅提高了137%,说明晶间第二相对Si_3N_4陶瓷的抗磨损能力有决定性影响。     

冷冻胶凝成型制备Si3N4复相陶瓷材料的高温力学特性

采用新型冷冻胶凝陶瓷成型技术制备Si_3N_4/钡长石(BaAl_2Si_2O_8,BAS)复相陶瓷材料,研究了不同温度(25～1 400℃)和BAS含量(质量分数)条件下,Si_3N_4/BAS复相陶瓷材料弯曲强度、弯曲模量、弯曲断裂特性以及陶瓷微观结构。结果表明:BAS含量提高可显著提高材料高温力学性能,在1 400℃和40%BAS含量时,Si_3N_4/BAS复相陶瓷材料弯曲强度和弯曲模量分别可达241.0 MPa和92.0 GPa。在25～1 400℃,当BAS含量为30.0%～40.0%时,Si_3N_4/BAS试样加载断裂均表现为脆性断裂模式,此时材料烧结体主要由β-Si_3N_4和BAS两种晶相组成,不含Si_2N_2O晶相。当环境温度为1 500℃空气条件下,不同BAS含量的试样均出现明显的表面氧化现象,温度低于1 400℃时无表面氧化现象。     

热压烧结制备Si_3N_4-MLG复合陶瓷及其物理力学性能研究

以微米级Si_3N_4和多层石墨烯(MLG)为原始粉体,利用热压烧结的方式制备Si_3N_4-MLG复相陶瓷,对比研究了烧结温度以及分散剂PEG对Si_3N_4-MLG复相陶中多层石墨烯结构特征、复合陶瓷物理力学性能以及微观组织结构的影响。结果显示,掺入多层石墨烯可有效抑制Si_3N_4晶粒长大,起到较好的增韧效果;烧结温度升高促进Si_3N_4相变,但会加剧多层石墨烯缺陷,促使晶粒过度长大,烧结温度为1700℃时为宜;掺入分散剂PEG,化学修饰加剧多层石墨烯的缺陷,并促使多层石墨烯发生桥连而聚沉,致使致密度和物理力学性能下降。总体而言,利用机械球磨分散工艺,采用合理的烧结工艺,复相陶瓷中的多层石墨烯层数减少,制备获得的Si_3N_4-MLG复相陶瓷具有与单相Si_3N_4相近的致密度和硬度,断裂韧性较单相Si_3N_4提高13.2%。     

Gd2O3对O'-Sialon/Si3N4复相陶瓷结构与性能的影响

以α-Si_3N_4粉和黑刚玉为原料、Gd_2O_3为烧结助剂,采用无压烧结工艺制备了O’-Sialon/Si_3N_4复相陶瓷材料,研究了Gd_2O_3添加量和烧结温度对样品性能、相组成和显微结构的影响,探讨了Gd_2O_3对复相陶瓷的作用机理。结果表明:复相陶瓷主晶相为α-Si_3N_4、β-Si_3N_4和O’-Sialon,添加Gd_2O_3一方面可在高温烧结过程中形成液相,促进α-Si_3N_4的"溶解–析出"过程,有利于α-Si_3N_4向β-Si_3N_4的晶型转变以及β-Si_3N_4晶粒的生长;另一方面可促进α-Si_3N_4与Al_2O_3和Si O_2的固溶反应,生成O’-Sialon相,使样品中O’-Sialon含量增加。当Gd_2O_3添加量为6%(质量分数)时,经1 600℃烧结的样品SN-G6性能最佳:气孔率为23.29%;体积密度为2.31 g·cm~(–3);抗折强度达到105.57 MPa。     

添加剂B_2O_3对SiC/h-BN复相陶瓷低温烧结行为及性能的影响

以乱层结构h-BN(t-BN)和SiC纳米粉体为原料,B_2O_3为烧结助剂,利用放电等离子烧结技术(SPS)制备出SiC/h-BN复相陶瓷。采用X射线衍射和扫描电子显微镜对试样的物相组成和显微结构进行分析,研究烧结助剂含量对SiC/h-BN复相陶瓷的低温烧结行为、致密化、微观结构及力学性能的影响。结果表明:利用SPS低温烧结方法,添加少量B_2O_3添加剂,可有效地提高复相陶瓷的致密度和力学性能。与无添加剂烧结样品相比,烧结助剂的添加降低了样品烧结收缩起始温度,促进样品中片状h-BN晶粒的移动和重排,提高了颗粒间的结合强度。随着烧结助剂添加量的增加,复相陶瓷致密度显著增加,强度和韧性均呈现先增加后降低的趋势,在B_2O_3添加量为5%时,复相陶瓷相对密度和各项力学性能较高,其相对密度、抗弯强度、断裂韧性和弹性模量分别为96.92%、274.7MPa、2.91MPa·m1/2和127.2GPa,但添加过多B_2O_3,则不利于提高复相陶瓷的力学性能。     

La_2O_3增强高性能氧化铝陶瓷制备工艺研究

本文以氧化铝粉、硝酸镧为主要原料,研究了La_2O_3对氧化铝陶瓷显微结构及性能的影响。结果表明:La_2O_3的加入有助于提高氧化铝陶瓷的力学性能,添加0.1wt%La_2O_3的氧化铝陶瓷经1 490℃烧结后具有最佳的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性分别达到460.145 MPa、5.26 MPa·m~(1/2),较未添加La_2O_3氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别提升了10.67%和1.15%,掺镧氧化铝陶瓷平均晶粒尺寸约为3.5μm,La_2O_3抑制氧化铝陶瓷晶粒长大的效果较为明显。