原位反应结合多孔Si3N4陶瓷的制备及其介电性能

以氮化硅(Si₃N₄)和氧化铝(Al₂O₃)为起始原料, 利用原位反应结合技术制备Si₃N₄多孔陶瓷. 研究烧结温度和保温时间对Si₃N₄多孔陶瓷的微观结构、力学性能以及介电性能的影响. 结果表明: 烧结温度在1350℃以下, 保温时间<4h时, 随着烧结温度的升高, 保温时间的延长, 样品的强度和介电常数增大; 但条件超出这个范围, 结果刚好相反; 物相分析表明多孔陶瓷主要由Si3N4和Al₂O₃以及Si₃N₄氧化生成的SiO₂(方石英)组成. 所制备的多孔Si₃N₄陶瓷的气孔率范围为25.34%～48.86%, 抗弯强度为34.77～127.85MPa, 介电常数为3.0～4.6, 介电损耗约为0.002.     

多孔氮化硅/碳化硅复合材料制备的反应机理分析

为了探索碳热还原法制备多孔氮化硅/碳化硅(Si₃N₄/SiC)复合陶瓷材料在高温阶段的反应机理,采用固化的酚醛树脂为碳源,通过热解产生具有反应性的碳,使之在1300-1780℃等不同温度下与表面包裹的氮化硅粉反应,氩气为保护气氛.通过对试样的XRD、TEM分析和显微结构观察,结合反应的热力学和动力学结果计算推测,树脂裂解碳与Si₃N₄反应生成SiC的机理主要为Si₃N₄分解生成Si(l)与C进一步发生的液-固反应,和Si(l)与反应过程中的中间产物CO(g)之间发生的液-气反应.其他还包括C与Si₃N₄间直接进行的固-固反应;C与Si₃N₄表面的SiO₂间的气-固反应以及由SiO(g)、Si(g)参与的气-固反应.树脂裂解碳与Si₃N₄从1400℃左右开始发生反应形成SiC,温度升高对SiC层的生长有促进,保温时间的延长对SiC层的生长厚度影响较大.     

CVI制备C/Si3N4复合材料及其表征

以SICl₄-NH₃-H₂为反应体系,采用化学气相渗透法CVI)制备C/Si₃N₄复合材料.渗透产物的能谱和X射线衍射表明渗透产物为非晶态Si₃N₄,经1350℃真空热处理后,产物仍然为非晶态Si₃N₄;经1450℃真空热处理后,产物已经发生晶型转变,由非晶态转变为晶态的α-Si₃N₄和β-Si₃N₄.渗透温度、渗透时间、气体流量对试样致密化、增重及微观结构的影响研究表明渗透温度为900℃、SiCl4流量为30mL/min、H2流量为100mL/min、NH₃流量为80mL/min、渗透时间120h、系统压力1000Pa时,气体渗透进入碳布预制体后,在预制体内反应均匀,制备的复合材料较均匀.     

线型和带型α-Si3N4准一维结构的形成机理和表征

采用高温氮化合成的热化学方法制备了单晶的线型和带型α-Si₃N₄准一维结构.其中线型α-Si₃N₄准一维结构沉积在温度较低的反应区域(1200℃),而带型α-Si₃N₄准一维结构则沉积在高温原料源附近位置(1450℃).经XRD、SEM、TEM、HRTEM分析表明,制备的线型和带型α-Si₃N₄准一维结构均为单晶;线型α-Si₃N₄直径约为100~300nm,长为几十微米;而带型α-Si₃N₄厚约30nm,宽度在300nm~2μm之间,长度为几微米到几十微米.从晶体生长热力学及动力学方面讨论了线型和带型α-Si₃N₄准一维结构的生长过程和分区沉积的原因.结果表明,较高的温度和过饱和度有利于形成带型准一维结构.       

Si3N4颗粒及SiC晶须强韧化MoSi2复合材料的低温氧化行为

对Si₃N₄颗粒及SiC晶须强韧化MoSi₂复合材料在773K下的氧化行为进行了研究.通过热重量分析法（TG）分析了MoSi2及其复合材料MoSi₂-Si₃N_4(p)和MoSi₂-Si₃N_4(P)SiC_(w)在773K下的氧化性能, 采用SEM和X射线衍射测定其表面形貌和氧化物相组成.结果发现：在773K下, 纯MoSi₂和MoSi₂+20vol%Si₃N₄均发生了“Pesting”氧化, 氧化过程服从直线规律, 氧化产物层疏松, 氧化产物主要为MoO₃; MoSi₂+40vol%Si₃N₄氧化服从抛物线规律, 速率常数K_p为0.04mg²/(cm⁴·h), 氧化层致密, 成分主要为SiO₂、Si₂N₂O, 增加Si₃N₄的含量可显著提高MoSi₂的抗“Pesting”氧化能力; MoSi₂+20vol%Si₃N₄+20vol%SiC发生了严重的粉化现象, 氧化产物主要为短针状MoO₃.     

聚硼硅氮烷的合成及其热解产物的组成及结构

以甲基氢二氯硅烷、三氯化硼、六甲基二硅氮烷为起始原料, 采用共缩合原理合成了聚硼硅氮烷(PBSZ)先驱体, 将PBSZ分别在N₂和NH₃/N₂气氛中高温热解得到SiBNC陶瓷. 利用元素分析、XPS、NMR、FT-IR、XRD等分析手段对PBSZ及其陶瓷产物的组成、结构和热稳定性进行了表征. 结果表明, 先驱体的结构骨架为-Si-N-B-, 其中B、N以硼氮六环的形式存在, C以Si-CH₃形式存在. 1000℃时两种气氛中陶瓷产率分别为63wt%和61wt%, 1500～1850℃之间失重分别为3.8wt%和10.0wt%. 所得陶瓷的主要相组成均为Si₃N₄、BN和SiC, 并且均能在1700℃以上保持非晶, 在1850℃时部分结晶. N₂中热解产物比NH₃/N₂中热解产物有更好的稳定性, 更不易结晶.     

真空气氛下非晶硅碳氮(SiCN)陶瓷的高温晶化行为

以六甲基二硅氮烷为单一前驱体,采用电热裂解化学气相沉积技术制备了SiCN陶瓷. 借助X射线衍射仪、透射电子显微镜研究了真空环境中非晶SiCN陶瓷在1300～1900℃范围内的晶化行为,并根据研究结果,运用分解-结晶机理解释了其晶化过程. 非晶SiCN陶瓷在低于1300℃开始发生分解,形成富Si-C区域,并最终发生β-SiC结晶. 其结晶度随热处理温度的升高而愈加明显.在1700℃处理时发生β-SiC→α-SiC相变. 分解形成的N-难以与Si-结合形成富Si-N区域,最终以N₂形式溢出,在整个热处理温度范围没有出现氮气下热处理时存在的Si₃N₄结晶.     

放电等离子快速烧结SiC晶须增强Si3N4BN层状复合材料

采用放电等离子烧结技术(SPS)快速烧结了SiC晶须增强的Si₃N₄/BN层状复合材料.利用SPS技术,在烧结温度为1650℃、保温15min的条件下,材料的密度可达3.18g/cm³,抗弯强度高达600MPa,断裂功达到3500J/m².研究表明:特殊的层状结构、SiC晶须的拔出与折断是材料断裂功提高的主要原因.X射线衍射及扫描电子显微镜研究表明:α-Si₃N₄已经在短短的烧结过程中全部转变成长柱状的β-Si₃N₄,并且长柱状的β-Si₃N₄和SiC晶须具有明显的织构.     

用碳热还原法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅和活性碳为起始粉料, 用碳热还原法制备了高气孔率, 孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷.考察了二氧化硅粉末粒径对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响. 借助X射线衍射(XRD), 扫描电子显微(SEM)和三点弯曲法对多孔氮化硅陶瓷的微观组织和力学性能进行了研究. XRD分析表明在烧结后的试样中, 除了微量的α-Si₃N₄相和晶界结晶相Y₈Si₄N₄O₁₄外, 其余的都是β-Si₃N₄相; SEM分析显示多孔氮化硅陶瓷是由柱状β-Si₃N₄晶粒和均匀的孔组成, 通过改变二氧化硅的粒径, 制备了不同孔隙率, 力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷.     

液相连接氮化硅陶瓷的结合强度研究

本文用玻璃焊料研究了氮化硅陶瓷的液相连接,探讨了组份（0～10wt％α－Si₃N₄）、温度（1450～1650℃）和保温时间（10～120min）对结合强度的影响规律．结果表明,α－Si₃N₄的加入提高了液态焊料的粘度,降低了焊料的流动性,导致结合强度下降．采用组份为不含α－Si₃N₄的纯氧化物玻璃焊料在1600℃、保温30min可以得到较为理想的结合强度．     

先驱体热解制备富硼、氮BCN化合物及其发光性能研究

以三聚氰胺和硼酸为原料,在水溶液中反应合成出纤维状C₃N₆ H₆(H₃ BO₃)₂先驱体,通过使其在高温氮气氛下热解制备出了富硼、氮BCN化合物.利用XRD、FT-IR、XPS、SEM、HRTEM等对热解产物进行了表征,采用FS测量了热解产物的室温光致发光光谱,研究了热解温度对产物及其光致发光性能的影响.结果表明,1000℃以上热解均可制备出乱层石墨结构富硼、氮BCN化合物.随热解温度的升高,BCN化合物中的B、N含量逐渐增大,C含量逐渐减小.BCN化合物的晶体形状为棒状或纤维状,由相互交织的平均直径在2nm左右的纳米纤维构成.这些BCN化合物均为宽带隙半导体,在340~450nm和670~705nm出现了两个很强的呈明显宽化的光致发光峰,且随热解温度的升高,短波长的发射峰波长基本呈逐渐减小的变化趋势.     

爆炸冲击合成多晶C3N4的研究

研究新合成方法下得到超硬材料C₃N₄,利用黑索今（RDX）炸药作为高温、高压源,以双氰胺（C₂H₄N₄）为主要前驱体. 通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、X射线能谱分析仪(EDS)及红外光谱仪(FTIR)分别对输出压力为16GPa时制得样品的结构、形貌、价键特性和元素组成进行了分析与表征. 结果表明,XRD测试数据与理论计算值相符很好,样品中同时含有α、β、石墨相C₃N₄以及晶间相;样品中C、N元素质量比为1.00∶2.98,两种元素主要以CN形式成键;利用扫描电子显微镜观测到线度为2μm的六边形β-C₃N₄晶粒. 采用爆炸冲击合成方法合成出多晶C₃N₄粉末, 并对其合成机理进行了讨论.     

冲击波合成立方氮化硅的烧结稳定性研究

以冲击波合成的γ-Si₃N₄粉体为原料, Y₂O₃-Al₂O₃-La₂O₃体系作烧结助剂, 在5.7GPa、1370~1670K的高温高压条件下, 进行了γ-Si₃N₄粉体的烧结. 研究了不同烧结温度对γ-Si3N4稳定性、相对密度、力学性能及显微结构的影响. 结果表明: γ-Si₃N₄在 1420~1670K的条件下, 完全相变为β-Si₃N₄, 在1370K左右的条件下, 发生部分向β-Si₃N₄相变. 在5.7GPa, 1370K的条件下, 烧结样品的相对密度与维氏硬度分别为98.83%和21.09GPa.     

热丝CVD生长SiCN薄膜的研究

在HFCVD系统中采用SiH₄/CH₄/H₂/N₂混合气体成功的制备了SiCN薄膜.SEM照片显示制备的SiCN薄膜由棒状结构构成,而在HRTEM下发现这些棒状结构是由生长在无定型SiCN基体当中的纳米晶粒组成的.进一步的SAED和XRD分析说明SiCN纳米晶粒具有类似于α-Si₃N₄的结构.XPS和FTIR分析表明薄膜中含有Si、C、N和O几种元素以及C=N、Si-N和C-N等共价键,但是并没有观察到C-Si的存在.由实验得出结论,SiCN晶体的生长包括两个步骤:α-Si₃N₄团簇的生长和C取代其中Si的过程.