烧结温度对反应烧结氮化硅铁复合材料 物相组成及力学性能的影响

以硅铁粉、Fe-Si_3N_4粉末、钛铁矿粉为原料,采用自蔓燃法制备Si_3N_4-Fe_3Si复合材料。将Si_3N_4-Fe_3Si复合材料试样在1 650,1 700,1 750和1 800℃氮气气氛下进行烧结。采用X射线衍射、红外光谱分析、扫描电镜、维氏硬度等探究了烧结温度对Si_3N_4-Fe_3Si复合材料试样密度、孔隙率、显微结构、物相组成、力学性能的影响,并采用差示扫描量热法(DSC)探究了硅铁-钛铁矿混合物的燃烧过程。结果表明,烧结温度对氮化硅铁复合材料的显微结构、力学性能有显著的影响,随着烧结温度的升高,试样的密度、维氏硬度均增大,Si_3N_4-Fe_3Si复合材料的致密性增加;但弯曲强度和断裂韧性随着温度升高先增大后减小,在1 750℃达到最大值。在1 750℃时,试样的密度、维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为3.33 g/cm~3、9.85 GPa、331 MPa和8.5 MPa·m~(1/2)。弯曲强度提高了56%,断裂韧性提高了102%,表现出良好的抗弯强度和断裂韧性。在1 750℃时, Si_3N_4-Fe_3Si烧结试样主要物相为β-Si_3N_4、Y_2Si_2O_7、Fe_3Si和少量的Al_2O_3,完成了α-Si_3N4向β-Si_3N_4的变相,Fe_3Si在高温烧结条件下稳定性良好。     

氮化硅结构研究中的重要发现

在利用高分辨电子显微术研究 Si_3N_4结构过程中,有了新的发现。这些发现包括纳米级裂纹、超结构、纳米畴和辐射损伤等。纳米级裂纹是晶粒中纳米大小的裂纹,它可能是导致穿晶断裂的裂纹。超结构可能影响Si_3N_4晶粒的力学性能,我们在研究中发现了三种超结构。纳米畴是晶粒中一种新的结构缺陷,在研究中我们发现了两种这类畴。也研究了辐射损伤,发现 α-Si_3N_4比β-Si_3N_4更易于受到辐射损伤,这说明β-Si_3N_4比α-Si_3N_4结构更稳定。还仔细地研究了 Si_3N_4陶瓷的晶界,结果指出,晶界工程对于改善 Si_3N_4陶瓷的力学性能是强有力的手段。     

氮化硅的α→β相变的影响因素

本文研究了氮化硅α→β相变的诸影响因素。发现 Y_2O_3添加剂具有最显著的相变促进作用,而 La_2O_3添加剂促进相变的作用最小,但后者对促进 Si_(?)N_4致密化的作用较前者显著。原始氮化硅粉末的比表面、杂质含量及颗粒形貌均会影响α→β相变的程度。     

晶界相预合成对 Si_3O_4 陶瓷显微结构和高温力学性能的影响

将 Si_3N_4原料预热处理以及预合成 Si_3N_4-Al_2O_3-Y_2O_3系的晶界相,两者按适当比例制得的坯体,经无压烧结得到相对密度>97%的 Si_3N_4烧结体。其高温抗弯强度达400MPa(1300℃下),比通常工艺(未经处理的)制得的强度相应提高约25%。用 SEM、TEM 对这种 Si_3N_4试样的显微结构进行了研究分析,解释了强度提高的原因。     

TiC,Co 及添加剂对 Si_3N_4陶瓷显微结构和力学性能的影响

用扫描电镜、透射电镜和 X 射线衍射研究了 Si_3N_4-TiC-Co 系复合材料的相组成、显微结构和力学性能。发现 TiC 以 TiC 和 TiN 形式存在,Co 以 CoSi 形式存在。加入 TiC 和 Co 后,复合材料的力学性能得到明显改善,断裂韧性达到7.2MPa·m~(1/m),并且用 Y_2O_3作为助烧剂时,Si_3N_4晶粒成纤维状。     

SiC_W含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷力学及高温微波性能影响

以α-Si_3N_4粉、β-SiC_W为原料,Al_2O_3、Y_2O_3为烧结助剂,采用凝胶注模工艺制备了SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷材料,烧结温度为1 650℃,保温1.5h。研究了SiC_W加入含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的微观结构、力学及常温/高温微波吸收性能的影响。结果表明:随着SiC_W含量的增加,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都有先増后减的趋势,当含量为10wt%时,抗弯强度达到最大值505MPa,断裂韧性达9.515MPa·m1/2。常温介电常数在SiC_W含量为10wt%时,实部达最大值12,在12GHz最大吸收值为-21dB。高温介电常数随着SiC_W含量的增加有先增后减的趋势,在含量为10wt%时,实部达到最大值12.5。相比于纯Si_3N_4陶瓷,当SiC_W含量为10wt%时,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷在11.7GHz左右最大吸收可达-27dB,有效吸收频带(小于-5dB)为11.2~12.3GHz。     

添加Mg、Y氧化物对Fe-Mo/Si3N4金属陶瓷微观组织与性能的影响

提出在Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷中添加Mg、Y氧化物,在常压烧结条件下实现金属复合、晶须技术双重强韧化陶瓷,并研究了Mg、Y氧化物对Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷的微观组织与性能的影响.结果表明:添加Mg、Y氧化物的Fe-Mo/Si_3N_4金属陶瓷,存在与Si_3N_4润湿性极好的金属Fe与MoSi_2相,颗粒状α-Si_3N_4转变成晶须条状β-Si_3N_4,烧结体致密且晶粒得到明显细化,各项性能得到大幅提升,实现了金属复合、晶须技术双重强韧化Si_3N_4陶瓷。     

氧化物添加剂对 Si_2N_2O 粉末生成的影响

氮氧化硅(Si_2N_2O)难于直接从 Si_3N_4和 SiO_2中制取。因此加入少量氧化物添加剂,如 Al_2O_3、Y_2O_3或MgO 于 Si_3N_4和 SiO_2中,在1150～1800℃的温度范围内,对 Si_2N_2O 生成反应的动力学进行了研究。应用 X 射线衍射确定了反应产物。实验结果表明,氧化物添加剂导致液相形成,从而降低了反应的活化能,大大加速了 Si_2N_2O 的生成。生成反应可描述如下:Si_3N_4(c)+SiO_2((?))→2Si_2N_2O(c)Si_3N_4在液相中的溶解是控制性步骤。Si_2N_2O 生成动力学与 Si_3N_4在液相中溶解量的大小有关,与 Si_3N_4的晶型种类无关。Y_2O_3或 MgO 比 Al_2O_3添加剂更有利于 Si_2N_2O 的生成。     

Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3和Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO系统的亚固相关系

本文给出了 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3和 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统的亚固相图。实验结果表明:在 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统中有一个未知结构的新化合物 CaO·Si_2N_2O,在3CaO·Si_2N_2O 和3CaO·Al_2O_3两化合物之间形成连续立方固溶体。而 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3系统中则没有发现新化合物。在两个系统的富 Si_2N_2O区,过量的 Si_2N_2O 与 La_2O_3和 CaO 分别反应形成 Si_3N_4与 La_(10)[SiO_4]_(?)N_2(H-相)(和 CaSiO_3。所研究的这两个三元系统中,分别形成了如下几个四元相容性区。在 Si_2N_2O-Al_2O_3-La_2O_3系统内有:H-Si_3N_4-La_2O_3·Si_2N_2O-La_2O_3·Al_2O_3;H-Si_3N_4-La_2O_3·Al_2O_3-La_2O_3·11 Al_2O_3;H-Si_3N_4-La_2O_3·11 Al_2O_3-Al_2O_3;H-Si_3N_4-Al_2O_3-O′s.s;H-Si_3N_4-O′s.s-Si_2N_2O在 Si_2N_2O-Al_2O_3-CaO 系统内有:Si_3N_4-CaSiO_3-CaO·Si_2N_2O-3CaO·Al_2O_3;Si_3N_3-CaSiO_3-3CaO·Al_2O_3-2CaO·Al_2O_3·SiO_(?);Si_(?)N_(?)-CaSiO_3-2CaO·Al_2O_3·SiO_2-Al_2O_3;Si_3N_4-CaSiO_3-Al_2O_(?)-O′s.s;Si_3N_4-CaSiO_3-O′s.s-Si_(?)N_(?)O     

晶相组成对硅酸钇涂层显微结构及性能的影响

采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了不同相组成的硅酸钇复合抗氧化外涂层.采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的相组成和显微结构进行了表征.研究了不同相组成对硅酸钇涂层的显微结构和抗氧化性能的影响.结果表明,Y_2SiO_5和Y_2Si_2O_7两相配比对涂层的显微结构和抗氧化性能有较大的影响.随着复合涂层中Y_2Si_2O_7含量的增加,复合硅酸钇外涂层的热膨胀系数逐渐接近于SiC内涂层的热膨胀系数.当组成达到m(Y_2SiO_5)/m(Y_2Si_2O_7)=3:7时,内外涂层的热膨胀系数最为接近,从而得到均匀、致密、无显微裂纹、抗氧化性能优异的复合硅酸钇涂层.该涂层在1773K静态空气中,经过氧化100h后,失重仅为1.2%;继续增加Y_2Si_2O_7含量,内外涂层的热膨胀系数差异逐渐增大,涂层再次出现裂纹,抗氧化性能随之下降.     

日本氮化硅陶瓷的最近动向

氮化硅(St_3N_4)不是自然存在的,而是人工合成的一种化合物,它如同碳化硅、氮化硼、氮化铝等化合物一样,是一种具有广阔发展前途的工程结构陶瓷材料。Si_3N_4主要有两种晶体结构:六方晶系的β-Si_3N_4和三方晶系的α-Si_3N_4。低温时形成低温型的α-Si_3N_4和高温时形成高温型的β-Si_3N_4。从低温型的α-Si_3N_4转向高温型的β-Si_3N_4的相变温度     

Microstructure and Toughness of Seeded Hot-Pressed Si3N4 Ceramics

Densification, phase transformation and fracture toughness were studied in hot-pressed Si_3N_4 seeded by in-houseproduced large, elongated β-Si_3N_4 seeds. A mixture of Y_2O_3-Al_2O_3 was used as the sintering aid. Concentration ofseeds were varied from 0 to 6 wt pct and the sintering time at 1700℃ was varied from 1 to 4 h. Maximum fracturetoughness of 9.0 MPam~(1/2) was measured in samples containing 5 wt pct seeds, hot pressed at 1700℃ for 4 h.     

层状硅酸钇改性SiC_f/SiC复合材料湿氧化行为研究（英文）

研究了层状硅酸钇的引入对SiC_f/SiC复合材料湿氧化行为的影响。首先通过硝酸钇乙醇溶液浸渍热解法向碳化硅纤维引入Y_2O_3,再采用化学气相渗透法沉积SiC。层状Y_2Si_2O_7主要通过Y_2O_3与沉积过程中的SiC反应转化而成。研究发现, Y_2Si_2O_7在1400℃湿氧环境条件下发生富集,在氧化层表面形成保护层。氧化80 h后,单层和多层Y_2Si_2O_7改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率分别达到60.38%和71.93%,而没有改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率仅为50.11%。结果表明:层状Y_2Si_2O_7的引入可显著提升SiC_f/SiC复合材料在湿氧环境的抗氧化性能。     

R-α’-Sialon的形成和Si_3N_4AlN-R_2O_3(R=Nd、Sm、Gd、Dy、Er 和 Yb)系统的亚固相关系

实验测定了 Si_3N_4-AlN-R_2O_3(R=Nd、Sm、Gd、Dy、Er 和 Yb)六个系统的亚固相图.在这些系统中,α-Si_3N_4 都同各个0.1R_2O_3∶0.9AlN 分别形成有限固溶体.固溶体界限随着稀土元素原子序数的增加而扩大.β-Si_3N_4同各个 R-α′-Sialon 固溶体在1750℃处平衡。这些亚固相图,对于开发稀土氧化物在新型高温氮陶瓷结构材料中的应用,提供了依据.此外,发现了一个新化合物—Nd_2AlO_3N,它和已报导的 Sm_2AlO_3N 同样具有四方结构.     

保温时间对β-Sialon结合镁铝尖晶石-碳材料的影响及其氧化动力学

以电熔尖晶石、Si粉和鳞片石墨为主要原料,木质磺酸钙溶液(1.25 g/mL)为成型结合剂,在氮气气氛下1450℃分别保温1、2、3和4 h原位生成β-Sialon结合Mg Al_2O_4-C材料,研究了保温时间对材料的物相组成、β-Sialon的显微结构及常规物理性能的影响,并对该复合材料进行氧化动力学研究。结果表明:当保温时间从1 h增加到4 h,试样的物相变化规律基本相同,Si单质相消失,完全转化为SiC、Si_3N_4和β-Sialon(Si_3Al_3O_3N5)。当保温时间为3 h时,生成的β-Sialon(Si3Al3O3N5)为完整圆柱状晶粒,尺寸分布均匀,交错成网络结构。随着保温时间的增加,试样内部产生较多的SiO气体,导致试样的显气孔率增加,体积密度下降,耐压强度和抗折强度先增加后下降,当保温时间为3 h时,耐压强度和抗折强度达到最大。氧化动力学研究表明,氧化过程随着时间的推移分为化学反应控制阶段、化学反应和扩散共同控制阶段及扩散控制三个阶段。     

La,Y掺杂对非晶晶化法制备ZrO_2-mullite纳米复相陶瓷的影响

借助DSC、XRD、SEM和TEM等技术探讨了La_2O_3、Y_2O_3掺杂对非晶晶化法制备ZrO_2-mullite纳米复相陶瓷的影响。结果表明,当Y_2O_3和La_2O_3的掺杂量分别小于4wt%和1.8wt%时,能有效降低Si-Al-Zr-O系非晶的熔制温度,抑制冷却过程中的失透现象,有利于非晶形成且不影响主晶相的析出。单一Y_2O_3掺杂时,Y主要固溶于氧化锆中,稳定t-ZrO_2,且抑制堇青石析出,对晶粒大小影响不大;而Y_2O_3和La_2O_3混合掺杂时,Y和La主要存在于玻璃相中,强化晶界,且La能明显促进ZrO_2、mullite晶粒长大。Y_2O_3和La_2O_3的合适添加量分别为1.0wt%~2.0wt%和0.6wt%~1.2wt%。     

应用背散射技术研究固体薄膜

应用背散射(R.B.S)方法测量了单层金属膜(Fe膜、Au膜)、双层金属膜(Ti-Fe膜)、双层介质膜(Si-Si○_2-Si_3N_4 膜)的厚度。在对Si-Si○_2-Si_3N_4双层介质膜测厚的同时,还测出Si_3N_4膜中含有一定量氧的存在,检验了它的生长质量。用背散射方法对错(Zr)的氧化进行了初步研究,测定了在1964年于400 ℃干燥空气中分别氧化7＇、14＇、28＇、80＇的ZrO_2膜的厚度。实验结果大体上与锆氧化的抛物线规律     

用于测量陶瓷断裂韧性的Vickers和Knoop压痕裂纹技术

采用 Vickers 压痕裂纹测量法或 Knoop 压痕～强度法等压痕技术进行了陶瓷的断裂韧性测量。反应烧结 Si_3N_4,热压 Si_3N_4和 SiC 等结构陶瓷用于研究显微结构非均质性和热残余应力对断裂韧性值的影响。人工水晶用于研究晶体学取向和断裂韧性之间的关系。研究发现,Knoop 压痕～强度法比 Vickers 压痕裂纹测量法更适合于非等轴晶系的晶体断裂韧性测量。其原因是 Knoop 压痕的主裂纹和缺口试样的裂纹都沿着同样的晶面扩展,而 Vickers 径向裂纹对却须沿着相互正交的晶面扩展,仅其中的一个晶面与缺口试样的裂纹扩展面一致。在 Vickers 压痕裂纹技术的基础上,用以计算 K_(1c)值不含弹性模量 E 项的 Evans 式(21),似乎能显示出显微结构对 K_(1c)值的影响;含有弹性模量 E 项的 Evans 式(22),似乎能反映出残余热应力对 K_(?)值的影响。所有上述的陶瓷材料,除了反应烧结 Si_3N_4,其压痕和裂纹关系 a~2～C~(3/2)的线性回归相关系数都相当,甚至>0.99。这表明了 Vickers 压痕技术在测定陶瓷的断裂韧性方面具有一定的实用性。     

SiC晶须强化Al_2O_3基体切削工具的性能和制造

陶瓷工具由于切削速度商、寿命长,因此国内外广泛进行研究和发展。以美国为例,由于陶瓷工具的生产费用不断降低,1990年的销售额为12,000万美元,预计2000年将达53,000万美元。近10年来,投入工业生产而成为商品的陶瓷工具除初期的Al_2O_3及Al_2O_3+TiC以外,还有Al_2O_3+ZrO_2、Al_2O_3+TiN、Sialoa(Si_3N_4-Al_2O_3)、Si_3N_4-Al_2O_3-Y_2O_3、Si_3N_4-TiC以及Al_2O_3+SiC(Si_3N_4)晶须等。虽然目前在金属切削领域中陶瓷刀片只占全部刀片的1～     

多孔氮化硅表面γ-Y_2Si_2O_7陶瓷涂层的制备及抗热震性能

采用浆料喷涂与高温熔渗结合的方法,以γ-Y_2Si_2O_7和Y_2O_3-Al_2O_3-SiO_2三元氧化物粉体为原料,在多孔Si_3N_4表面制备致密γ-Y_2Si_2O_7陶瓷涂层,采用XRD和SEM测试方法系统研究原料配比及烧结温度对涂层结构、组织和抗热震性能的影响。结果表明:SiO2与Al2O3物质的量之比较高时,涂层为致密γ-Y_2Si_2O_7层和过渡层的双层结构;SiO_2与Al_2O_3物质的量之比较低时,只能形成单层结构;双层结构涂层的抗热震性能优于单层结构涂层。