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。     

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。     

ZrN–Si_3N_4–Y_2O_3复合材料的相组成（英文）

采用不同组分的Zr N、Si_3N_4和Y_2O_3混合粉末,在1 750℃高温固相反应合成Zr N–Si_3N_4–Y_2O_3复合材料,借助于X射线衍射仪表征6种按不同比例混合样品的物相组成。结果表明:在Zr N–Si_3N_4–Y_2O_3三元系统中,Zr N分别与Si_3N_4、Y_2O_3和Y2Si3O3N4(M相,黄长石结构)共存;M相为Si_3N_4和Y_2O_3在摩尔比为1:1时的产物,Zr N–Si_3N_4–Y_2O_3三元系统扩展为Zr N–Si_3N_4–Y_2O_3–Si O2四元系统,在该四元系统中,Zr N分别与M相、Y4Si2N2O7(J相,单斜Y4Al2O9结构)及Y5(Si O4)3N(H相,磷灰石结构)3种含钇硅酸盐及Si_3N_4、Y_2O_3共存。其中,J相和H相分别是Si2N2O(Si_3N_4和Si O2在摩尔比为1:1时的产物)和Y_2O_3在摩尔比分别为2:1和9:5时的产物。用Zr N–Si_3N_4–Y_2O_3体系相图可解析制备Zr N陶瓷和Zr N/Si_3N_4复合陶瓷的相组成。     

导电 Si3N4 基复相陶瓷研究进展

Si_3N_4陶瓷具有优异的力学性能和导热性能,然而其固有的高硬度和脆性极大地限制了其加工性能。通过添加导电相改善Si3N4陶瓷的导电性能可实现对Si_3N_4陶瓷的电火花加工。添加的导电相主要包括钛基化合物(TiN、TiC、TiC N、TiB_2)、锆基化合物(Zr B_2、Zr N)和MoSi_2等导电陶瓷以及碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、石墨烯纳米片(GNP)等导电碳基纳米材料。本论文详细回顾了Si_3N_4基导电陶瓷的研究进展,并对今后Si_3N_4基导电陶瓷的发展趋势进行了展望。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

凝胶注模技术制备高强度多孔氮化硅陶瓷

采用凝胶注模技术和无压烧结工艺制备高孔隙率、高强度多孔氮化硅陶瓷。研究了浆料固相含量对多孔氮化硅陶瓷坯体相对质量损失和收缩率的影响,测定了材料在烧结前后的物相组成,分析了浆料固相含量对多孔氮化硅陶瓷显微结构、孔隙率、弯曲强度及断裂韧性的影响。结果表明:随浆料固相含量增大,坯体相对质量损失率和收缩率减小,烧结后的多孔氮化硅陶瓷孔隙率由65.24%减小到61.19%;而弯曲强度和断裂韧性分别由93.91MPa和1.48MPa·m1/2提高到100.83MPa和1.58MPa·m1/2。长棒状β-Si3N4晶粒无规律的交错搭接和相互咬合是多孔氮化硅陶瓷在保持高孔隙率的同时具有高强度的主要原因。     

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。     

高比强多孔Si_3N_4陶瓷透波材料的研究

通过采用Y_2O_3,Al_2O_3作为烧结助剂,气氛压力烧结工艺,成功地制备出了高强度多孔Si_3N_4陶瓷透波材料。通过SEM对材料微观结构进行了研究。实验结果表明:在适当的工艺下可以制得弯曲强度大于160 MPa,气孔率50%的多孔氮化硅陶瓷。并讨论了多孔氮化硅形成的机制和高强度的主要原因。     

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。     

高温氮气气氛下硅–氮化硅–氧氮化硅体系的稳定性

硅粉生坯经过初次氮化制得硅–氮化硅–氧氮化硅体系的试样,分别于1 500和1 600℃氮气气氛下进行重烧实验,研究了高温稳定性。结果表明:在Si_2N_2O(s)与Si(l)两相接触的界面处,两者反应生成Si_3N_4(s)和介稳态SiO(g)。1 500℃重烧时体系氧分压[p(O_2)]处于Si_2N_2O相稳定存在的区间,故1 500℃重烧试样中Si_2N_2O相含量高;1 600℃重烧时体系p(O_2)小于Si_3N_4相能够稳定存在的临界值,Si(l)直接氮化生成Si_3N_4(s),故1 600℃重烧试样中β-Si_3N_4相是主要物相。体系中的SiO(g)与CO(g)反应生成纤维状SiC,由于SiO分压[p(SiO)]与温度T负相关,因此1 500℃重烧试样中SiC相的含量高于1 600℃重烧试样的。试样随炉冷却过程中,部分介稳态SiO(g)会与N2(g)反应生成α-Si_3N_4(s)。     

氮化硼-莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究

为了制备性能优异的双辊薄带连铸用陶瓷侧封板,以六方氮化硼和莫来石为主要原料,Y_2O_3、Ti N、Zr O_2、Al N以及Al_2O_3的混合物为添加剂,采用热压烧结法(1 750~1 800℃,120 min,25 MPa,N_2气氛)制备了三种不同组成的氮化硼-莫来石复合陶瓷材料,测试并分析了烧后试样的弯曲强度、硬度、热膨胀系数、物相组成和显微结构。结果表明:1)随着氮化硼含量的增加,莫来石含量的减少,氮化硼-莫来石复合陶瓷试样的弯曲强度、硬度和热膨胀系数均呈现逐渐减小的趋势。2)当六方氮化硼、莫来石和添加剂的添加质量分数分别为50%、30%和20%时,所制备氮化硼-莫来石复合陶瓷材料的综合性能最佳,其弯曲强度为287.5 MPa,硬度为162.3HV5,热膨胀系数约为4.5×10~(-6)℃~(-1)(室温);XRD和SEM分析显示,其主要物相为h-BN、莫来石、α-Al_2O_3以及Si Al4O_2N_4,其中基体相以氮化硼为主,莫来石为第二相,Si Al_4O_2N_4固溶体存在于晶界处,与莫来石共同作用而赋予了材料良好的力学性能。     

SrO对Si_3N_4–ZrO_2–SrO系统反应合成ZrN的影响

通过引入SrO,利用Si_3N_4–ZrO_2–SrO三元系统反应合成ZrN,使得SiO_2–Si_3N_4–ZrO_2–ZrN四元系统形成互易关系,并结合热力学计算,对在N2气氛无压条件下Si_3N_4–ZrO_2–SrO三元系统分别在1 500和1 700℃时的反应途径进行了研究,并采用XRD进行物相分析。结果表明:当烧结温度为1 500℃时,Si_3N_4–ZrO_2–SrO系统可生成ZrN+SrSi_2O_2N_2和ZrN+Sr_3SiO_5+SrZrO_3的复合相;当烧结温度提高到1 700℃时,反应产物中与ZrN复合的物相不仅有SrSi_2O_2N_2和Sr_3SiO_5+SrZrO_3,还生成了Sr_2SiO_4+SrZrO_3和Sr7_ZrSi_6O_(21)+SrZrO_3,其中,SrZrO_3为ZrO_2–SrO二元系统反应的结果。在1 500和1 700℃时,Si_3N_4–ZrO_2–SrO三元系统中可生成ZrN+X(+SrZrO_3)复合相,且ZrN–X共存关系在扩展的SiO_2–Si_3N_4–SrO–ZrO_2–ZrN五元系统中给出。Si_3N_4–ZrO_2–SrO三元系统的数个反应可被用于在较低温度下一步反应制备ZrN复相陶瓷。     

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。     

新型氮化硅质耐火材料的制备与性能分析

以闪速燃烧法合成的不同粒度的氮化硅铁颗粒(w(Si)=48.76%,w(N)=30.65%,w(Fe)=14.15%,w(O)=2.2%,w(Al)=0.8%)作为骨料,以粒度≤0.088 mm的氮化硅铁粉和Si粉(w(Si)=98.22%,w(Al)=0.15%)作为细粉,经混料、困料、成型、干燥和1 450℃保温24 h氮化烧成等工艺,制备了以Si_3N_4为主晶相的新型氮化硅质耐火材料。检测结果表明:所制备试样的显气孔率为29.2%,体积密度为2.39g·cm~(- 3),常温耐压强度为151 MPa,常温抗折强度为40.3 MPa,1 400℃高温抗折强度为12.2 MPa;其物相组成(w)为:β-Si_3N_472.03%,α-Si_3N_49.20%,Si_2N_2O 6.23%,Fe3Si 11.60%,Si O_20.94%。在高温条件下,随着体系中氧分压的不断降低,絮状的Si_2N_2O和Si_3N_4结合相主要由体系气相组分中的Si O、Si蒸气与N2、O_2反应形成。