无压烧结Si_3N_4高温断裂强度及其显微结构关系的探讨

在扫描电镜(SEM)观测的基础上,根据体视学的方法测定和计算了Si_3N_4-Y_2O_3-Al_2O_3系无压烧结Si_3N_4试样的高温显微结构参数,定量的确立了高温断裂强度、断裂机理与三维显微结构参数间的内在联系,以及工艺因素与断裂强度、显微结构间的关系。β-Si_3N_4晶粒间三维平均自由距离λ值随断裂温度升高的增大与σ_f值的降低成线性关系。等静压试样的λ值随温度升高的变化明显地大于干压试样。单位体积中晶粒比表面积Sv值随断裂温度升高趋于降低与λ值的增加成反向对应关系,表明晶界滑移分离机制是Si_3N_4材料高温断裂的重要原因之一。平均晶粒的比表面积Svp值与高温断裂中β-Si_3N_4晶粒形态的变化相对应,结合晶粒取向角及球相当径D_(3s)数据说明Si_3N_4材料的高温断裂中不仅产生晶界滑移分离、气孔扩散连通,以及晶界玻璃相的成核扩展,而且相伴有(β-Si_3N_4微晶的圆化分解过程。控制生坯试样中的气孔形态、孔径大小及分布,是降低晶粒轴率,提高纵横比的有效途径,从而有利于Si_3N_4材料的高温断裂强度。     

自韧Si3N4陶瓷的高温性能特征

研究了自韧Si_3N_4的高温力学性能、氧化行为和抗热震性能。结果表明,晶界玻璃相对高温性能有重要影响,在室温～1350℃的范围内,自韧Si_3N_4的抗弯强度随温度的升高而降低,断裂韧性随温度的升高而增加;在1300～1350℃的温度范围内,自韧Si_3N_4的氧化符合抛物线规律,氧化过程主要由晶界处添加剂离子和杂质离子的扩散过程控制。由于热应力导致裂纹的产生和扩展,使得热震后材料的性能降低。     

成形方法对无压烧结Si_3N_4显微结构和性能的影响

不同成形方法造成的生坯试样密度间的差异,导致试样烧成收缩、溶解-沉淀和晶粒生长速率,以及表面蒸发凝聚过程的不同变化,从而形成各具特征的显微结构。干压试样中β-Si_3N_4平均粒径1.40μm,晶粒最大纵横比8:1,网状交织结构显著。等静压试样中β-Si_3N_4平均粒径约1μm,最大纵横比4:1,成一定的形态取向结构。两种成形方法试样的抗折强度随温度升高而下降的斜率明显不同,特别是1500°～1300℃间尤为明显,试样的抗折强度不仅受平均粒径的制约,而且受晶粒形态、纵横比及分布特征的控制。     

无压烧结Si_3N_4断裂形貌的研究

本文使用光学和扫描电子显微镜、X射线衍射仪等,探讨了注浆和于压成形方法对无压烧结Si_3N_4断裂形貌的影响,以及断裂形貌与抗折强度等力学性能间的关系。不同成形方法的试样,断裂形貌差异显著。注浆试样,断裂面较平坦,于压试样断裂面粗糙、复杂,脊形隆起显著。断裂形貌与试样显气孔率、烧成密度、抗折强度等物性参数有关。断裂强度符合公式:σ~J=KG~(-a)e~(-bp)。显气孔率较高,晶粒较大的注浆试样,强度较低,断裂面较平坦。显气孔率较低,晶粒较小的干压试样,强度较高,断裂面粗糙复杂。断裂源周围镜面半径R与抗折强度的关系符合公式:σ_fR~(1/2)=A 试样的断裂形貌不仅受材料固有因子的制约,而且受外来因子的影响。表面伤痕及气孔等缺陷往往是导致强度降低的原因之一。无压烧结Si_3N_4断裂形貌的研究,不仅定性地建立起断裂形貌与成形方法、抗折强度间的联系,而且如能精确测算镜面区半径及确立断裂形貌的数学模形,就可能建立起定量联系。     

采用Li_2O-Al_2O_3助烧剂低温埋碳制备Si_3N_4陶瓷

为了制备致密的Si_3N_4陶瓷,在Si_3N_4粉末中加入15%(w)的助烧剂(Li_2O-Al_2O_3),经过球磨、造粒、烘干成型后,在传统电炉中埋碳和Si_3N_4粉,于1 550、1 600、1 650℃保温2 h后无压烧结制备Si_3N_4陶瓷,研究了烧结助剂配比和烧结温度对试样致密化、线收缩率、质量损失率、相转变以及微观结构的影响。结果表明:1)随着助烧剂中Li2O比例的增加,Si_3N_4陶瓷的致密度先增加后降低。随着温度的升高,Si_3N_4陶瓷的密度不断提高,当达到1 600和1 650℃时,试样的相对密度分别达到93%和95%以上; 2)在1 600℃时,所有试样物相中都已经生成β-Si_3N_4,并随着烧结温度的升高其转化率逐渐增加,显微结构照片可以看到明显的棒状β-Si_3N_4;3)采用低温埋碳和Si_3N_4粉的烧结工艺为低成本Si_3N_4陶瓷的制备提出了可行的方法。     

模拟煤气化炉气氛下酸性渣对Si_3N_4–SiC材料的侵蚀及其机理

在回转抗渣炉内模拟气化炉1 500℃时的工作环境,进行熔渣对Si_3N_4结合SiC试样的动态侵蚀实验,利用扫描电镜观察侵蚀后试样的显微结构,并结合热力学模拟研究酸性煤渣对Si_3N_4–SiC材料的侵蚀机理。结果表明:实验条件下,熔渣中的FeO与Si_3N_4–SiC材料发生氧化还原反应,在试样表面形成C、Si、Fe合金;Si_3N_4–SiC试样发生活性氧化,形成气体和方石英,且方石英向熔渣中溶解;氧化反应改变了试样中气孔表面的结构组成,熔渣通过气孔向试样中渗透,在试样表面形成很薄的反应层。反应层的形成加剧了熔渣向试样中的渗透及试样向熔渣中的溶解。因此,Si_3N_4–SiC材料不适合用做水煤浆气化炉内衬材料。     

纳米Si3N4—SiC复相陶瓷显微结构

本文系统地研究了纳米Si_3N_4-SiC复相陶瓷显微结构,观测了纳米Si_3N_4-SiC复相陶瓷中Si_3N_4、SiC粒子晶粒尺寸,研究了复合在Si_3N_4晶粒内和晶界上的SiC粒子分布情况及Si_3N_4与SiC、Si_3N_4间的相界面。     

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%。     

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。     

刚玉-氮化硅-碳化硅复合材料的性能研究

以棕刚玉、氮化硅和碳化硅为原料在氧化气氛下制成试样.将试样分别在1500 ℃、1550 ℃和1600 ℃保温5 h进行埋炭处理.利用XRD、SEM和EDS等检测方法,结合热力学分析,研究了氧化气氛烧成后试样的物相变化以及高温埋炭条件下Si_3N_4的稳定性.结果表明:氧化气氛烧成后生成一种莫来石固溶体Si_6Al_(10)O_(21)N_4;高温埋炭处理后Si_3N_4和Si_6Al_(10)O_(21)N_4会部分转化为SiC,Si_3N_4向SiC明显转化的温度大于1500 ℃,Si_6Al_(10)O_(21)N_4向SiC明显转化的温度大于1550 ℃.     

氮化硅结合氮化硅铁在氮气气氛下的高温稳定性

以硅粉和氮化硅铁颗粒为原料,经高纯氮气气氛下烧结,制备出氮化硅/氮化硅铁复合材料。将氮化硅/氮化硅铁复合材料试样分别在1 500、1 600、1 700℃氮气气氛下重烧,探究其高温稳定性。结果表明:当重烧温度为1 500℃时试样中存在的物相有β-Si_3N_4、α-Si_3N_4、Si_2N_2O、SiC以及Fe3Si;当重烧温度达到1 600℃时,β-Si_3N_4含量增加,Fe_3Si、Fe_5Si_3、FeSi_3种硅铁合金共存,α-Si_3N_4、Si_2N_2O消失;当重烧温度上升到1 700℃时,β-Si_3N_4含量显著下降并重新出现α-Si_3N_4,Fe_5Si_3和FeSi相共存,Fe_3Si相消失。结合热力学计算推断反应机理为:当重烧温度从1 500℃上升到1 600℃时,α-Si_3N_4、Fe–Si熔体中的Si以及Si_2N_2O均向β-Si_3N_4转变,导致β-Si_3N_4含量增加。当重烧温度上升到1 700℃过程中,熔融硅铁的存在加速了Si_3N_4的分解,导致β-Si_3N_4含量减少;试样冷却过程中,Si(l)、Si(g)将重新氮化形成氮化硅,使α-Si_3N_4重新出现。SiC在较高的温度下比Si_3N_4稳定,其反应的C源为结合剂中的残C,以及气氛中的CO。随温度升高,复合材料中Fe–Si合金的稳定顺序依次为:Fe3Si→Fe_5Si_3→FeSi。     

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。     

烧结温度对不同Yb_2O_3含量的氮化硅陶瓷结构和性能的影响

在不同烧结温度、30 MPa压力下保温1h制备了不同Yb_2O_3含量的氮化硅陶瓷,通过XRD、SEM、阿基米德排水法、三点抗弯强度法、Vickers压痕法等手段测定了氮化硅陶瓷的物相组成、显微结构、致密度、抗弯强度、断裂韧性和硬度。研究了烧结温度对不同Yb_2O_3含量的氮化硅陶瓷的相变、显微结构和力学性能的影响。研究表明,Yb_2O_3含量的变化导致了Yb_2O_3和氮化硅表面SiO_2反应配比的变化,从而在Yb_2O_3-SiO_2二元体系和Yb_2O_3-SiO_2-Si3_N_4三元体系中,晶界第二相生成物也发生了变化。这些第二相生成物种类与烧结温度共同影响氮化硅陶瓷材料的显微结构和力学性能。5 wt%Yb_2O_3含量的Si_3N_4陶瓷在1850℃获得所有9个样品中最大的抗弯强度和断裂韧性,分别为874 MPa和5.83 MPa·m1/2;15 wt%Yb_2O_3含量Si_3N_4陶瓷中出现的第二相Yb_4Si_2O_7N_2,抑制了氮化硅晶粒在高温下的异常长大。     

低温热压氮化硅的显微结构和力学性能

本工作选用MgO-Al_2O_3-SiO_2-(TiO_2)系统中两种不同的组成和体积分数的添加物,在1450和1550℃帮助Si_3N_4热压烧结。测定了室温和高温抗折强度、断裂韧性和硬度;用χ射线衍射测定α-β相交,用电子显微镜观察晶粒形貌,并与在1650和1750℃热压的Si_3N_4进行了比较。 1550℃热压Si_3N_4接近完全致密,具有α相等轴状细晶粒形貌。其室温强度为500～570MN/m~2,硬度(HR_A)为94～95。由于晶界玻璃相的存在,在1200℃的抗折强度降为267～290MN/m~2。根据本工作的结果,低温热压Si_3N_4可能适合于作为耐磨材料,也有可能作为纤维补强复合材料的基体。     

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。     

成形方法对无压烧结Si_3N_4断裂形貌的影响

本文探讨了注浆及干压成形方法对无压烧结 Si_3N_4断裂形貌的影响,以及断裂形貌与抗折强度间的关系。成形方法不同的试样,断裂形貌差异很大。注浆试样断面较平坦,干压试样断面较粗糙,参差起伏显著。断裂形貌紧密的与成形方法不同所造成的气孔率、烧成密度、晶粒大小等相联。试样的断裂形貌与抗折强度的关系受公式σ_f·R~(1/2)=A_(?)及σ_f=KG~(-α)e~(-bp)的制约。断裂形貌愈复杂,放射状脊形隆起愈显著,试样的抗折强度愈大。试样的断裂形貌不仅受材料固有因子的控制,而且受外来因子的影响。表面加工伤痕、气孔等缺陷均能构成断裂源,而成为试样强度下降的原因之一。本文在断裂形貌的观测分析基础上,探讨了断裂源及断裂机理,并建立起断裂形貌与无压烧结 Si_3N_4成形方法和抗折强度间的定性联系.     

晶界工程及其在Si_3N_4材料上的应用

本文详细介绍了晶界工程(GBE)技术及其在Si_3N_4材料上的应用。着重就晶界工程在改善Si_3N_4材料高温性能方面所采取的几种具体措施进行了论述。     

低温烧结电容器陶瓷的显微结构和介电性质

用体视学方法测定和计算PZ N—PFN—PFW 三元系统电容器试样的三维显微结构参数,讨论了显微结构与试样组成、介电性质之间的关系。钙钛矿相晶粒的三维平均自由距离λ值及单位体积内晶粒的比表面积Sv,单个晶粒的平均比表面积Svp、球相当径D_3s等均随PZN 在试样组成中的含量而改变,从而导致介电性能的变化。     

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%。     

低温热压氮化硅的晶界玻璃相结晶化及其对于高温强度和断裂形貌的影响

本文研究了低温热压 Si_3N_4 的晶界玻璃相结晶化及其对于高温强度的影响。X射线行射表明热处理过程中析出X相,热处理后使1450℃和1550℃热压的C-2材料在1200℃的抗折强度分别提高大约一倍和30％,消除了高温试样断口上的宏观粗糙区域。可能由于晶界玻璃相结晶化在一定程度上抑制亚临界裂纹扩展,而使高温强度有所改进,并改变了断裂形貌。