添加Al_2O_3-Y_2O_3烧结助剂的无压烧结Si_3N_4的研究

本文研究了 1740～1780℃范围内以Al_2O_3-Y_2O_3 为烧结助剂的 Si_3N_4 的无压烧结性能。结果表明:加少量Al_2O_3-Y_2O_3的Si_3N_4,即使含量<6.5％,只要工艺措施适当,也可获得高密度(相对密度达96～99％)的氮陶瓷,强度为500～600MN/m~2(部分达到700MN/m~2)。 试验表明,使用粒度细,α相含量高的Si_3N_4 原料,采用Si_3N_4 BN MgO 的埋粉,以及保温时间适当,是促进烧结的有效措施。研究指出:添加少量Al_2O_3-Y_2O_3 外加剂的 Si_3N_4 是以液相烧结为主。 用X射线衍射,扫描电镜和电子探针等检验了Si_3N_4的显微结构,表明 Al_2O_3已进入β-Si_3N_4 晶格,形成β’-Si_3N_4固溶体,晶格参数随 Al_2O_3 加入量增加而增大。     

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。     

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。     

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。     

Y_2O_3-Al_2O_3.AIN-Si_3N_4系统的亚固相关系

研究了 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 系统的亚固相关系。得知在 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN 二元系统中存在两个结构分别与 5Al_2O_3·3Y_2O_3(YAG)和Al_2O_3·2Y_2O_3(YAM)相同的含氮的YAG和YAM。在这二元系统中还存在一个结构与 Al_2O_3·Y_2O_3(钙钛矿型)相同的不稳定化合物,它在1550℃开始形成,但不易得到单相化合物。在Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 三元系统中,不存在五组分的化合物,只存在YAM和J相之间的连续固溶体。 研究结果得出了 Y_2O_3-Al_2O_3·AlN-Si_3N_4 三元系统的亚固相关系图,在此图中存在四个含有固溶体的二相区和三个部存在有YAG’的相容性三角形。它们分别是:Y_2O_3-J_(s.s.)、YAG’-J_(s.s.)、Y_2O_3·Si_3N_4-J_(s.s.)和YAG’-β-Si_3N_(4 s.s.),YAG’-J_(s.s.)-Y_2O_3-Si_3N_4、YAG’-Y_2O_3·Si_3N_4-Si_3N_4和YAG’-Al_2O_3·AlN-β-Si_3N_(4 s.s.)。     

无压烧结Si_3N_4的高温断裂形貌及其显微结构

Si_3N_4—Y_2O_3—Al_2O_3系的无压烧结Si_3N_4试样,在光学显微镜、扫描电子显微镜和x射线衍射分析的基础上,按断面形态和体视学的方法,进行显微结构参数的测定计算,从而建立起Si_3N_4材料的高温断裂强度与断裂形貌、三维显微结构参数间的内在联系。两种成形方法烧结试样的高温断裂强度,均随温度升高而明显降低,断面上镜面区扩大,沿晶断裂明显。断裂强度随温度升高的下降斜率,等静压试样大于干压试样。晶粒(β—Si_3N_4)三维平均自由距离(λ)值随断裂温度升高而增大,λ值的增大与σf值的降低大致成线性关系。等静压试样的λ值随温度升高的变化明显的大于干压试样。单位体积中晶粒的比表面积(Sv)值,随断裂温度升高而趋于降低,与λ值的增大对应一致,表明晶界的滑移分离机制是导致Si_3N_4材料高温断裂的重要原因之平均晶粒的比表面积(Sv_p)值,随断裂温度升高的变化与高温断裂过程中βΚSi_3N_4晶粒形态的变化相对应,同时结合晶粒取向和球相当经D_(3s)的数据,表明Si_3N_4的高温断裂,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,而且相伴有β—Sj_3N_4的分解、圆化过程。研究表明,控制生坯中的气孔形态、孔径大小及分布,是限制晶粒形态,提高晶粒纵横比的有效途径,在配方组成相同的条件下,将有利于Si_3N_4材料的高温断裂强度。     

Si-Al-Ca-N-O系统部分亚固相关系

本文研究了Si、Al、Ca/N、O系统中以Si_3N_4、SiO_2、CaSiO_3、2CaO·Al_2O_3·SiO_2、CaO-Al_2O_3、Al_2O_3和β′-Si_2Al_4O_4N_4(β_(60))为边界的区域的亚固相关系。在此区域中发现一个新相,其组成接近CaO·1.33Al_2O_3·0.67Si_2N_2O(称S相),且与CaO·2Al_2O_3形成连续固溶体。在此区域中有14个相容性四面体,其中5个含有S相。     

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。     

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)。     

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。     

Y_2O_3-Al_2O_3-Si_3N_4系统中Y_2O_3的含量对无压烧结Si_3N_4显微结构及性能的影响

研究了以 Y_2O_3—Al_2O_3复合氧化物为添加剂,不同 Y_2O_3含量对无压烧结 Si_3N_4性能的影响(体积密度、烧成收缩、失重、抗折强度等).材料的抗氧化性试验表明,Y_2O_3含量高的氧化增重小;Al_2O_3含量增加,氧化增重也增加。用 X-射线衍射、扫描电镜、电子探针等检验了制品的显微结构,结果表明,Al_2O_3进入了β-Si_3N_4晶格,形成了β′-Si_3N_4固溶体,固溶量为总 Al 量70%左右,与 Y_2O_3含量多少无关。Y_2O_3即使加入量达到12%,也不存在游离 Y_2O_3或形成氧氮化硅钇化合物.     

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 ℃.     

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。     

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。     

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。     

赛隆陶瓷(三)

Ⅳ.α—赛隆陶瓷曾对Y—Si—Al—O—N系统中的单相α—赛隆陶瓷进行过大量的研究~(1■20-23)。业已证明,α—赛隆相在系统中的扩展是两维的~(23,41)。然而,α—赛隆也因单独加入少量的锂,钙之类他种离子~(17 18)及稀土氧化物而稳定~(24)。α—赛隆的形成过程也因加入复合阳离子而发生,如钕与钙或锂离子,或者甚至是钇与铈离子~(38)。当将Y_2O_3和AIN的均衡混合物(Y_2O_3+9AIN)加到纯Si_3N_4中时,图2中的Si_3N_4YN·3AlN一(AlN·Al_2O_3)     

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。     

干熄炉用碳化硅耐火材料抗CO侵蚀性研究

研究了SiAlON(主要为Si_4Al_2O_2N_6)结合SiC、复相氮化物(Si_2N_2O/Si_3N_4)结合Si C和β-SiC结合Si C材料在1 000℃、CO气氛(C+CO_2=2CO)中分别侵蚀100、200、300和400 h后其质量、显气孔率、常温耐压强度以及物相组成和显微结构的变化。结果表明:1)复相氮化物结合Si C材料抗CO侵蚀性最好,CO侵蚀后其常温耐压强度大幅度增大,达到363 MPa; SiAlON结合SiC的次之,为200 MPa;β-SiC结合SiC的最差,为136MPa。2)复相氮化物结合SiC材料被CO侵蚀后,其致密度增大较多; SiAlON结合SiC材料被CO侵蚀后,SiAlON发生Al2O_3脱溶,有新生针状产物;β-SiC结合SiC材料被CO侵蚀后,生成了少量方石英或石英。     

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。     

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。