高热导率Si3N4陶瓷的高压合成及性能研究

在高温高压条件下(HPHT,4 ～5 GPa,1430 ～1530℃),采用高压烧结技术,利用Y2O3、MgO作为烧结助剂,通过和不同质量配比的氮化硅(a-Si3N4,β-Si3N4)粉体复合,制备了具有高热导率和高致密性的Si3N4陶瓷.本实验采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱EDS、热导率测定仪、维氏硬度计对样品进行了分析和表征,研究了压强、烧结温度、保温时间对热导率和致密性的影响.结果 表明:超高压条件有效降低了烧结温度,缩短了烧结时间.当烧结条件在5 GPa,1490℃,1h时,其硬度为16.5 GPa,此时β-Si3N4复合陶瓷的致密化最优,气孔率(0.26;)和晶格缺陷显著改善.研究发现适当的延长烧结时间可以促进晶粒正常长大,同时产生较高的热导率,最高可达到64.6W/(m· K).     

Y2O3-Al2O3含量对Si3N4陶瓷相组成、致密化、显微结构和力学性能的影响

以α-Si3N4粉为原料,通过添加不同含量的Y2O3-Al2O3烧结助剂(6wt;、8wt;和10wt;),在1800℃下采用热压烧结制备了Si3 N4陶瓷,研究了Y2 O3-Al2 O3含量对Si3 N4陶瓷的物相、致密度、显微结构与力学性能的影响,结果表明:添加6wt;的Y2 O3-Al2 O3助剂即可获得高致密的Si3 N4陶瓷,继续增加助剂含量对Si3 N4陶瓷的致密度影响不大,但是显著影响 α-Si3 N4相和β-Si3 N4相的含量,较高的Y2 O3-Al2 O3助剂含量有利于α-Si3 N4转化为β-Si3 N4.不依赖于Y2 O3-Al2 O3助剂含量,Si3 N4陶瓷均包含细小的等轴晶粒和大尺寸的棒状晶粒,呈现双峰结构,但是Y2 O3-Al2 O3助剂含量增加到10wt;时,可以显著增加棒状晶粒的数量,形成更显著的双峰结构.基于当前研究,发现加入低含量的Y2O3-Al2O3助剂(6wt;),可以获得高硬度高强度的Si3N4陶瓷,而引入高含量的Y2O3-Al2O3助剂(10wt;),则可以获得高韧性高强度的Si3N4陶瓷.     

添加碳对ZrB2-SiC陶瓷的低温致密化和力学性能影响

以纳米ZrB2粉体为原材料,采用热压烧结的方法制备了ZrB2-SiC超高温陶瓷,研究了碳含量对ZrB2-SiC陶瓷致密度、微结构和力学性能的影响.结果表明:纳米粉体显著降低了ZrB2-SiC陶瓷的烧结温度,在1500℃即可获得95.1;的致密度,在1800℃实现了超高温陶瓷的致密化烧结;添加碳能够进一步促进ZrB2-SiC陶瓷的低温致密化,同时抑制晶粒长大.当碳的含量为1.0wt;时,材料表现出最佳的烧结性能,在1700℃热压烧结的ZrB2-SiC陶瓷致密度达到99;以上,而且烧结后的材料表现出优异的力学性能.     

氧化钇对氧化铝陶瓷致密化的影响

采用湿法球磨方法将不同含量氧化钇粉末添加到氧化铝粉末中,经冷等静压成型,1550℃常压烧结.通过研究发现,当氧化钇含量低于0.25wt;时,晶粒长大,存在封闭晶内气孔,相对密度变小,致密化程度低;当氧化钇含量介于0.25wt;～0.75wt;时,随着氧化钇含量增加,封闭气孔减少,晶粒减小,致密化程度增高;当氧化钇含量为1.0wt;时,在晶界生成第二相钇铝石榴石,相对密度较小,致密化程度降低.     

不同碳硅比稻壳对原位制备多孔Si3N4陶瓷的影响

以不同C/SiO2的碳化稻壳为硅源、碳源和成孔剂,添加α-Si3N4和少量烧结助剂,利用碳热还原氮化法原位制备多孔氮化硅陶瓷,研究了不同C/SiO2和烧结温度对多孔陶瓷相组成、显气孔率、抗弯强度和微观结构等性能的影响.结果表明:当选用碳化稻壳C/SiO2(质量比)为0.5和0.7时,在1450 ～ 1500℃的试样中有α-Si3N4和β-Si3N4,在1550℃的试样中只有β-Si3N4.C/SiO2为0.7、1450～1550℃下制备出多孔氮化硅陶瓷,其气孔率为52.53; ～38.48;,抗弯强度为44.07～83.40MPa;1550℃制备的多孔β-Si3N4陶瓷中孔隙分布均匀,孔径约为2μm,β-Si3N4呈团簇状生长,长径比约为6～8.     

纳米SiC对Si3N4/SiC复相陶瓷性能及显微结构的影响

本研究通过采用纳米SiC粉体及有机前驱体两种途径,制备了Si3N4/SiC粒子(Si3 N4/纳米SiC)复相陶瓷,研究了纳米SiC对Si3 N4/SiC复相陶瓷性能及显微结构的影响,讨论了材料强化的机制与显微结构的关系.     

MgO含量与颗粒度对Si3 N4-Y2 O3-MgO陶瓷液相烧结行为及力学性能的影响

本文基于Si3 N4-Y2 O3-MgO液相烧结体系,系统研究了MgO含量和颗粒度对材料致密度、物相组成、显微结构以及力学性能的影响效果与作用机制.结果显示,MgO含量的增加,会使得液相组分增多,进而提高材料的致密度,同时促进β-Si3 N4晶粒的粗化生长;当液相含量相同但MgO颗粒度增大时,材料致密度和β-Si3 N4晶粒长径比会同时出现降低趋势.这表明,液相组分MgO的颗粒度会直接影响液相的形成与分布,进而对润湿、颗粒重排及传质过程产生作用.当MgO含量与颗粒度分别为4;和0.1μm时,材料相对密度、断裂韧性和维氏硬度获得最佳值,分别为99.5;±0.2;,(6.9±0.6)MPa·m1/2,(18.7±0.1)GPa.     

粉体粒径及烧结工艺对ZrB2陶瓷致密化行为与晶粒长大的影响

利用热压烧结(HP)和放电等离子烧结(SPS)制备了ZrB2陶瓷,研究了粉体粒径和烧结工艺对ZrB2陶瓷致密化行为和晶粒长大的影响.结果表明,相同工艺下以平均粒径为200 nm的ZrB2粉体为原料替代平均粒径为2μm的ZrB2粉体可以明显促进粉体的致密化烧结,采用SPS替代HP工艺可以显著降低粉体的致密化温度,采用平均粒径为200 nm的ZrB2粉体在1900℃进行SPS工艺烧结即可实现ZrB2陶瓷的致密化烧结.     

以β-Si3N4为晶种多孔氮化硅陶瓷的制备

以β-Si3N4为晶种、α-Si3N4为原料、Mgo-Al2O3-SiO2体系为烧结助剂,制备了气孔率约为30;的多孔氮化硅陶瓷,研究了β-Si3N4晶种添加量对其物相、微观形貌和弯曲强度的影响.结果表明,加入β-Si3N4晶种能有效地促进α-Si3N4转化为β-Si3N4,经1580℃烧结的氮化硅陶瓷中出现了明显的长柱状晶粒,随着晶种添加量的增加,柱状晶的长径比逐渐增大,且柱状晶的产生可提高材料的强度.     

烧结助剂及β-Si3N4添加量对多孔氮化硅陶瓷性能的影响

通过添加不同烧结助剂(Lu2O3、Y2O3和Al2O3)及β-Si3N4粉末含量,采用常压烧结工艺制备出性能优异的多孔氮化硅陶瓷.研究了烧结助剂种类及β-Si3N4添加量对多孔氮化硅陶瓷物相、微观组织和力学性能的影响.结果表明:当Lu2O3添加量为5 wt;、β-Si3N4为3 wt;时,制备了由长柱状β-Si3N4晶粒组成、平均长径比为6.87、直径为0.6μm长度为4.4～10.4 μm的多孔氮化硅陶瓷,其抗弯强度可达330.7 MPa.β-Si3N4添加量至5 wt;时,柱状晶粒发育良好,长径比增加至7以上,气孔率高达48;,但抗弯强度下降.     

放电等离子烧结硼-碳系陶瓷

采用高纯硼粉和碳粉放电等离子烧结工艺(Spark Plasma Sintering technique)烧结了三种不同化学计量比的硼-碳系陶瓷,分别为:B3.5C, B4.0C和B4.5C.用X 射线衍射分析了烧结体的物相.结果表明:原始粉末在1300～1600℃合成富硼碳化硼陶瓷(B4C1-x),致密化过程则发生在1700℃～1900℃.用放电等离子烧结成功地在1900℃获得了相对致密度大于95;的碳化硼陶瓷.     

立方氮化硼(cBN)对Si3N4/cBN复合材料力学性能及Si3N4相变的影响

以不同粒径和含量的cBN在六面顶压机中高温高压制备了Si3N4/cBN复合材料.观察了样品的微观形貌、β-Si3N4含量,测试了抗弯强度和密度.结果发现,cBN颗粒形貌和分布状态对β-Si3N4颗粒生长有很大影响,cBN含量在一定范围内,随着cBN粒径的减小,试样的密度和抗弯强度增大.cBN含量达到70;时,由于出现大量“搭桥”结构,影响断面上的正应力和剪力,结果使材料抗弯强度减小.同时“搭桥”结构不利于试样的致密.实验结果对新型刀具材料Si3N4/cBN有指导意义.     

Si3N4-TiC和Si3N4-TiN复相导电陶瓷的制备及电加工性能研究

以TiC和TiN粉为导电相,利用热压烧结制备了Si3N4-TiC和Si3N4-TiN复相导电陶瓷.比较了TiC和TiN对Si3N4陶瓷相组成、致密度、显微结构、力学性能、导电性能及电火花加工性能的影响.结果表明:高温下TiN与Si3N4具有良好稳定性,烧结后获得Si3N4-TiN复相导电陶瓷,然而高温下TiC却与Si3N4反应形成了TiC0.5N0.5和SiC,烧结后获得Si3 N4-TiC0.5N0.5-SiC复相导电陶瓷.虽然TiN和TiC的引入对Si3N4的硬度和断裂韧性的影响没有明显差别,然而TiC的引入可以更好的改善Si3N4的致密化、导电性能及电火花加工性能;与以TiN为导电相所制备的Si3N4基导电陶瓷相比,以TiC为导电相所制备的Si3N4基复相导电陶瓷电火花加工后表面的粗糙度值和材料去除率更低.     

Si3N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷的制备及切削性能研究

以TiC0.5N0.5粉为导电第二相,利用热压烧结制备了Si3N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷.研究了不同含量TiC0.5N0.5对Si3N4陶瓷相组成、致密度、显微结构、力学性能、导电性能、切削性能及磨损机理的影响.结果表明:高温下TiC0.5N0.5与Si3N4具有良好稳定性,烧结后获得致密的Si3 N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷;导电第二相的增加可以明显改善氮化硅陶瓷的电学性能,并且有助于提高Si3N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷的硬度和断裂韧性,但不利于Si3 N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷的抗弯强度;当含量超过25vol;时,硬度增幅变缓,断裂韧性下降;在高速切削过程中,随着切削时间增加,后刀面磨损增大,刀具切削温度增加;STCN20切削性能最好,当TiC0.5N0.5含量超过20vol;时会加剧刀具的磨损;Si3N4-TiC0.5N0.5复相陶瓷刀具的磨损机制主要是机械摩擦导致的磨粒磨损,并伴随少量的粘结磨损.     

ZrB2粒径对Si3N4-ZrB2陶瓷相组成、显微结构及电阻率的影响

以20vol; ZrB2粗粉和细粉为导电相,以3vol; MgO-2vol; YB2O3烧结助剂,通过热压烧结在1500℃制备了Si13N4-ZrB2复相陶瓷,研究了ZrB2粒径对致密度、相组成、显微结构以及电阻率的影响.结果表明,不依赖于Zrl2粒径,通过引入MgO-YB2O3烧结助剂,均可以获得高致密Si3N4-ZrB2陶瓷.以Zrl2粗粉为原料时,Si3N4-ZrB2陶瓷包含主要的αt-Si3N4 、β-Si3N4和ZrB2相以及微弱的Yb4 Si2N2O7相,由于ZrB2晶粒保持孤立状态,样品电阻率较高,为9.5×103 Ω·m;而以ZrB2细粉为原料时,其与Si3N4发生轻微的高温反应,除了包含主要的d-Si3N4、β-Si3N4和ZrB2相及微弱的Yb4Si2N2O7相之外,Si3 N4-ZrB2陶瓷还含有新生成的微弱ZrSi2和ZrN导电相,由于ZrB2晶粒保持连通状态,样品电阻率显著降低,仅有6.8 Ω·m.     

V5+掺杂CaCu3 Ti4 O12陶瓷的 低温合成及烧结性能

采用传统固相反应法以V2O5为V5+掺杂源合成制备了CaCu3Ti4-xVxO12(CCTVO,x=0;,1;,3;,5;)陶瓷粉体,研究了V掺杂量对CaCu3Ti4O12(CCTO)物相低温合成及其低温烧结性能的影响,并对V掺杂CCTO陶瓷的低温合成机理和烧结机理进行了分析.XRD结果表明:当V掺杂量为≥1;时,在870℃煅烧20h可以完全获得CCTO物相,而未掺杂的样品则含有明显杂相,这说明V掺杂可以实现CCTO物相在低温下的合成制备.但差热分析表明,V掺杂后会提高CCTO发生固相反应的起始温度.分析认为低温下之所以实现CCTO的制备主要得益于V掺杂后会在高温煅烧过程中形成液相而增强了扩散气质和热传递效应.V掺杂量为3;的粉体在920℃相对较低温度下烧结后,具有较大的晶粒尺寸和高达92.4;的致密度,所得陶瓷在20Hz的低频率下介电常数高达2.28×105.     

多孔氮化硅陶瓷的微观结构、力学性能和气体透气性的研究

本研究中,以石油焦为造孔剂、Y2O3-Al2O3为烧结助剂,通过注浆成型制备出多孔氮化硅陶瓷.研究石油焦的加入量对多孔氮化硅陶瓷微观结构、力学性能及气体透气性的影响.结果表明:多孔氮化硅陶瓷的微孔是由长棒状的β-Si3N4晶粒互相搭接而成,大孔是由石油焦燃烧而成.随着石油焦加入量的增加,气孔率及达西渗透系数(μ)增大,但试样的抗弯强度降低.在起始α-Si3N4粉末中添加10wt;～50wt;石油焦、5wt; Y2O3-3wt;Al2O3 1800℃下保温2h制备出气孔率为37.08;～59.40;、抗弯强度为52.00～154.27 MPa、μ值为(3.04 ～6.87)×10-13m2的多孔氮化硅陶瓷.