不同烧结助剂对氮化硅常压烧结的影响

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本论文详细地介绍了氮化硅的结构、性质及应用和常见的几种制备方法,并着重介绍了氮化硅的常压烧结方面的研究进展。 与其他方法相比较,常压烧结法的实用价值最大,应用范围最广,极具有研究价值。选择既能显著提高制品致密化,又不明显降低其高温强度的烧结助剂是氮化硅常压烧结的关键问题。本论文将烧结助剂的选择和常压烧结作为研究的重点,选用MgO、Y2O3、La2O3、CeO2、TiC组成的复合助烧剂作为Si3N4的烧结助剂,采用常压烧结工艺,在1720℃制备Si3N4陶瓷。通过密度、抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性等力学性能测试、X射线物相分析(XRD)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)的观察,对氮化硅的烧结过程、组织结构进行了研究。 研究结果表明,常压烧结氮化硅陶瓷的致密化主要是通过液相烧结实现的,由烧结助剂和Si3N4表面的SiO2反应形成低熔点的硅酸盐液相,促进烧结致密化,冷却后,在晶界形成玻璃体。由MgO和稀土氧化物组成的复合助烧剂是Si3N4有效的烧结助剂,能够显著降低烧结温度,在1720℃烧结可以获得较高致密度和优良力学性能的Si3N4制品。所有试样的力学性能都随相对密度的增大而提高,添加少量的TiC能够提高烧结制品的抗弯强度和硬度,当未添加TiC,相对密度为97.8%时,抗弯强度、硬度和断裂韧性分别为903MPa、13.9GPa和7.50MPa.m1/2;当添加1%的TiC,相对密度达到97.4%时,抗弯强度、硬度和断裂韧性分别达到923MPa、14.5GPa和7.02MPa.m1/2。 微观分析结果表明,氮化硅烧结体的显微结构为等轴状的α-Si3N4和长柱状的β-Si3N4相互交织,与它们之间连续分布的玻璃相,形成了结构致密的材料。对于粗大的杆状β-Si3N4的形成主要与起始的物料有关,从α-Si3N4粉末制备的材料包含有异常长大的柱状晶粒,这种结构有利于提高烧结体的强度和韧性。在扫描电镜的分析中发现,裂纹的扩展既有沿晶断裂,又有穿晶断裂,说明烧结体既具有较高的晶界强度,在断裂时又表现出较好的韧性。透射电镜的观察发现,在异常长大的α-Si3N4晶粒中存在显微缺陷,周围存在裂纹,甚至有裂纹穿过异常长大的晶粒。结果表明,烧结体中存在的较大的孔洞、晶粒的异常长大、裂纹等微观缺陷是513从陶瓷发生力学破坏的常见原因,改善微观组织,减小缺陷尺寸,是提高a一513从陶瓷性能的有效途径。
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