Si_(3)N_(4)陶瓷关节轴承内圈外球面磨削研究

为探究氮化硅陶瓷关节轴承内圈外球面精密范成磨削方法,以表面粗糙度为主要评价指标,用立式五轴加工中心进行正交试验,确定各磨削参数对其表面粗糙度的影响顺序;再通过单因素试验探究磨削参数对其表面质量的影响规律,并用粒子群算法对陶瓷关节轴承内圈磨削表面粗糙度进行回归预测,最终获得最佳加工工艺参数。结果表明:砂轮粒度与砂轮进给速度对氮化硅关节轴承内圈外球面磨削表面的粗糙度影响最显著,砂轮线速度次之,工件线速度影响最小;陶瓷轴承内圈外球面表面粗糙度随进给速度的提高而增大,随砂轮线速度、工件线速度的提高先减小后增大。模型的预测值与实际测量值相对误差小于5%,表明该模型的预测效果较好,为实际加工选取磨削参数提供了理论依据。

基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

造孔剂对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷透气系数的影响

为改善多孔Si_(3)N_(4)陶瓷的透气性,以Si粉为原料,Y_(2)O_(3)和CaF_(2)为烧结助剂,粒径为5和20μm的聚甲基丙烯酸甲酯微球为造孔剂,先注凝成型再排胶,最后在氮气气氛中于1650℃保温3 h反应烧结,制备了多孔Si_(3)N_(4)陶瓷。研究了造孔剂粒径和添加量(体积分数分别为0、15%、30%、45%和60%)对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷显气孔率、孔径分布、孔结构、透气系数等的影响。结果表明:1)添加造孔剂的试样呈堆积衍生孔和球形演化孔的二级孔结构,孔径呈双峰分布;2)在粒径相同时,随着造孔剂添加量的增加,试样的显气孔率和透气系数增大,而体积密度、弯曲强度、断裂韧性降低;3)相同添加量下,添加5μm的小粒径造孔剂的试样具有更高的显气孔率、透气系数和弯曲强度,采用较小粒径的造孔剂能减小孔壁的厚度,并扩大孔壁内堆积衍生孔的孔径,提高孔壁的渗透性;4)添加体积分数为60%的5μm造孔剂的试样综合性能最优,其显气孔率、透气系数和弯曲强度分别为55.1%、11.6×10^(-14)m^(2)和35.3 MPa。

高温环境Si_(3)N_(4)陶瓷与M50钢材料的球盘配副与润滑油量对摩擦学行为的影响研究

针对耐高温轴承的高温润滑问题,采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机对轴承用材料Si_(3)N_(4)陶瓷和M50钢展开了高温控油摩擦磨损试验,之后对不同的配副方式进行了高温足量油、乏油的摩擦磨损对比试验.控油试验结果表明:200℃、足量油润滑条件下,Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副相较于M50钢自配副具有更低的摩擦系数和盘磨损率.M50钢自配副磨损率更容易受到润滑油量的影响.这是由于Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副的M50盘表面在摩擦过程中生成了稳定的含磷摩擦反应膜,而M50钢自配副的磨损以磨粒磨损为主,化学反应膜容易被破坏,且磨粒浓度会受到润滑油量的影响.不同配副对比试验结果表明:200℃、3μL油量下,仅M50(球)-Si_(3)N_(4)(盘)配副长摩1 h未发生润滑失效,且能够保持较低的磨损率,除摩擦过程中产生的反应膜能够起到保护作用外,M50钢球表面化学反应膜成膜面积更小,成膜不易受乏油条件的影响也是重要原因.

TiC晶须增韧Si_(3)N_(4)基复相陶瓷的显微组织与力学性能

以α-Si_(3)N_(4)为基体,TiC晶须(TiC whisker,简称TiC_(w))为增韧相,Al_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)和TiO_(2)为烧结助剂,采用热压烧结技术制备了Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料,分析了TiC晶须含量对其显微组织及力学性能的影响。结果表明:Si_(3)N_(4)基体在烧结过程中α-Si_(3)N_(4)相部分转变为β-Si_(3)N_(4)相。TiC_(w)含量小于30 vol%时均匀分布在Si_(3)N_(4)基体中,与Si_(3)N_(4)具有良好的化学相容性。加入适量的TiC_(w)降低了Si_(3)N_(4)颗粒之间的表面扩散,抑制了Si_(3)N_(4)晶粒的异常长大,提高了复相陶瓷材料的致密度。当TiC_(w)含量为30 vol%时,Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料的性能最佳,致密度达到97.71%,抗弯强度达到720.463 MPa,断裂韧性达到7.6 MPa·m^(1/2),维氏硬度达到18.412 GPa。

Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量对Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构与力/热学性能的影响

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学、化学、热学性能,在电子元器件散热与封装领域具有良好的应用前景。为制备高强度、高导热的Si_(3)N_(4)陶瓷,采用Y_(3)Si_(2)C_(2)-MgO二元复合烧结助剂,系统研究了Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量与保温时间对Si_(3)N_(4)陶瓷致密度、力学性能及热导率的影响规律,并基于微观结构和物相组成分析阐释了Si_(3)N_(4)陶瓷力/热学性能的优化机制。研究结果表明:随着Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷试样(保温时间分别为4 h和12 h)的热导率和弯曲强度均呈现先增大后降低的变化规律;保温4 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受致密度的影响,保温12 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受微观结构的均匀度及晶粒尺寸的影响;保温时间的延长有利于气体排出和晶粒生长,从而促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化及热导率的提升。利用气压烧结(1900℃保温12 h),掺加1.5 mol%的Y_(3)Si_(2)C_(2)可制得致密度为99.0%、热导率为(106.80±2.64)W·m^(−1)·K^(−1)、弯曲强度为(590.21±25.69)MPa的Si_(3)N_(4)陶瓷,其具有优良的力/热学综合性能,有利于提升Si_(3)N_(4)陶瓷封装电子元器件的服役安全性与可靠性。

Si_(3)N_(4)陶瓷在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀行为

熔盐电解是核能领域乏燃料干法后处理的关键技术。高温下熔盐会对盛装乏燃料的坩埚造成严重的腐蚀,因此,研发具有耐高温和抗腐蚀的坩埚材料是发展干法后处理技术的关键。Si_(3)N_(4)凭借其优异的高温热学和力学性能,成为干法后处理工艺中坩埚的理想候选材料。然而在实际服役条件下,Si_(3)N_(4)面临高温熔盐和水氧的侵蚀,其失效行为尚不明确。因此,本工作选取Si_(3)N_(4)为研究对象,在氩气和水氧(5%H_(2)O-10%O_(2)-85%Ar)环境中,开展了LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐对Si_(3)N_(4)的腐蚀行为研究。研究发现,在氩气环境中,Si_(3)N_(4)在LiCl-KCl熔盐中出现轻微的晶界腐蚀,而NaCl-2CsCl熔盐对其腐蚀并不明显。在5%H2O-10%O2-85%Ar水氧耦合环境中,LiCl-KCl熔盐优先腐蚀Si_(3)N_(4)中的晶界相,而NaCl-2CsCl熔盐的腐蚀比氩气环境更为严重。高温水氧环境显著加剧了熔盐对Si_(3)N_(4)陶瓷的腐蚀程度,同时晶界相成为Si_(3)N_(4)最易受到腐蚀的部位。此外,LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐在Si_(3)N_(4)表面的润湿性与抗腐蚀性之间并无直接关联。上述研究结果揭示了Si_(3)N_(4)在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀机制,为乏燃料干法后处理工艺中关键材料的选择提供了参考。

Si_(3)N_(4)陶瓷在现代产业中的应用

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、良好的导热性能,以及生物相容性,是具有巨大应用前景的材料,也是陶瓷领域研究的重点与热点。本文重点阐述了Si3N4陶瓷在先进制造、电子信息和生物医疗等现代产业领域中的性能及应用进展,并探讨了Si3N4陶瓷材料未来研究的方向和发展趋势。

Si_3N_4陶瓷球轴承的检验方法

通过分析国内外陶瓷球检测状况 ,结合国内研制和生产工艺 ,确定了能表征陶瓷球质量特征的检验项目 ,即化学分析、密度、断裂韧性、表面缺陷、硬度、压碎强度、孔隙度、显微组织等。提出了陶瓷毛坯球的材质性能、制造质量和显微组织等检验方法。对陶瓷球的研制和生产起到质量控制作用 ,为陶瓷球的质量检验标准的制定提供了依据。

Ti-Si-Fe合金添加量对Si_(3)N_(4)结合SiC材料结构与性能的影响

为促进Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料的致密化,降低Si粉氮化温度,以SiC颗粒和细粉、Si粉为主要原料,利用从高钛型高炉渣提取的Ti-Si-Fe合金部分取代Si粉,在埋碳气氛下于1350℃反应烧结5 h,制备了Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料。研究了Ti-Si-Fe合金添加量(加入质量分数分别为0、1.8%、3.6%、5.4%、7.2%)对Si粉的氮化行为、材料力学性能和显微结构的影响,并探讨了氮化反应烧结机制。结果表明:1)随着Ti-Si-Fe合金添加量的增加,材料的常温力学性能和高温抗折强度明显改善,荷重软化温度均超过1700℃,Ti-Si-Fe合金添加量超过3.6%(w)后材料性能的增幅变缓;2)Ti-Si-Fe合金促进了Si粉在较低温度下的完全氮化和材料的反应烧结,Ti-Si-Fe合金中各物相及Si粉氮化反应的体积增加能够充填气孔,氮化产物改善骨料与基质、基质内部的结合状态,从而提高材料的致密化程度,改善力学性能;3)引入Ti-Si-Fe合金后,反应体系中形成了富含Ti、Si、N、Fe成分的液相,氮化物的形成除传统的VS、VLS机制外,溶解-沉淀机制在短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN的形成中起到主导作用,交错连结的α-Si_(3)N_(4)晶须、短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN对材料的力学性能起到增强作用。

TiB_(2)添加量对Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料性能的影响

以SiC颗粒和细粉、Si粉为原料,TiB_(2)细粉为添加剂,采用反应烧结法经1400℃保温2 h制备了Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料,以期改善它的性能。通过MIP、XRD、SEM等研究了TiB_(2)细粉添加量(加入质量分数分别为0、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%)对反应烧结Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料致密性、抗折强度、物相组成和显微结构的影响,并分析了致密化机制。结果表明:1)添加适量TiB_(2)有助于提高试样体积密度和高温抗折强度(1200℃),增加≤1μm小孔比例;2)随着TiB_(2)添加量的增加,Si_(2)N_(2)O杂相含量减小,Si粉氮化率提高,Si_(3)N_(4)开始为晶须状,后演变为发育良好的长棒状,最后异常长大;3)致密化机制为:添加少量TiB_(2)可增加SiO气相分压,促进Si_(3)N_(4)晶须遵循气固机制生长;当TiB_(2)添加量为0.6%(w)时,Si_(3)N_(4)在适量高温液相作用下发育为长棒状,形成三维交叉网络结构,继续增加TiB_(2)添加量至0.8%(w),试样中液相再次增多,棒状Si_(3)N_(4)异常长大;4)当TiB_(2)添加量为0.6%(w)时,试样综合性能最佳,其体积密度为2.75 g·cm^(-3),显气孔率为11.6%,常温抗折强度为40.2 MPa,1200℃高温抗折强度为47.4 MPa。

三维雕刻法制备定向结构Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片研究

本文以三维雕刻法和铝合金穿孔熔渗工艺制备了定向结构Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片,研究了不同定向孔直径对基片轴向导热系数和径向热膨胀系数的影响.微观形貌分析表明Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结是主要包括聚团颗粒之间形成粘结和聚团颗粒内部生成β-Si_(3)N_(4)的过程,聚团颗粒尺寸是影响Si_(3)N_(4)陶瓷性能的主要因素.轴向热导率随着气孔尺寸增加呈增加趋势;气孔尺寸为0.8 mm时,Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片导热系数随着温度增加呈减小趋势,最高达到107.1 W·m^(-1)·k^(-1),径向热膨胀系数变化不大.

欧冶炉竖炉围管用Si_(3)N_(4)结合SiC砖的损毁分析

为了解欧冶炉还原竖炉围管用Si_(3)N_(4)结合SiC砖的损毁情况,对使用了两年的Si_(3)N_(4)结合SiC砖进行取样,针对用后砖试样的外观、物相组成、显微结构、元素组成等进行了分析研究。结果表明:1)用后砖有明显的蚀损情况,蚀损面粗糙,蚀损率达50%;2)用后砖的体积密度下降,显气孔率降低,氧化程度随着距工作面距离的增大而减弱;3)Si_(3)N_(4)结合SiC砖被欧冶炉中的气体氧化,反应生成SiO_(2),不适宜作为竖炉围管的炉衬材料。

高分散Ru/Si_(3)N_(4)催化剂的制备及其在CO_(2)加氢中的应用

氮化硅是一种良好的载体,具有较高的水热稳定性和机械稳定性,其表面的氨基基团能够较好地锚定金属,显著提高金属分散度。但是,商品氮化硅比表面积较低,对金属分散作用仍然有限。因此,以自制的高比表面积氮化硅(Si_(3)N_(4))为载体,通过浸渍法制备了不同Ru负载量(质量分数分别为0.5%、1.0%和2.0%)的催化剂(分别为0.5%Ru/Si_(3)N_(4)、1.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)),并以商品氮化硅(Si_(3)N_(4)-C)为载体制备了2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C催化剂作为对照组。表征了催化剂的理化性质,测试了其在300℃、0.1 MPa下的CO_(2)加氢反应活性。结果显示,与Si_(3)N_(4)-C相比,Si_(3)N_(4)的比表面积较高(502 m^(2)/g),Si_(3)N_(4)作为载体显著提高了金属分散度,降低了金属粒径,催化剂暴露出更多的活性位点。0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的金属粒径较小,展现出强的H_(2)吸附能力,H难以解吸,抑制了中间物种CO加氢生成CH_(4)。随着Ru负载量增加,金属粒径增大,催化剂的CH_(4)选择性更好。Ru/Si_(3)N_(4)系列催化剂中,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)的CH_(4)选择性较高(98.8%)。空速为10000 m L/(g·h)时,0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的CO选择性为88.2%。与2.0%Ru/Si_(3)N_(4)相比,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的金属粒径更大,活性位点较少,活性更低。2.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的CO_(2)转化率分别为53.1%和9.2%。Si_(3)N_(4)有效提高了金属分散度,提高了催化剂的CO_(2)加氢反应活性;通过调控Ru负载量控制催化剂金属粒径,可实现对产物CO或CH_(4)选择性的调控。

添加BaTiO_(3)的热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷的力学和介电性能

本研究以Al_(2)O_(3)和Nd_(2)O_(3)为烧结助剂,采用热压烧结法制备Si_(3)N_(4)陶瓷,系统研究了添加BaTiO_(3)对Si_(3)N_(4)陶瓷力学和介电性能的影响。研究结果表明,随着BaTiO_(3)含量的增加,相对密度、抗弯强度和维氏硬度都随之降低,而断裂韧性有所升高;即使添加5wt%~20wt%的BaTiO_(3),Si_(3)N_(4)陶瓷的抗弯强度依然可以保持在600 MPa以上。Si3N4陶瓷的介电常数可以提高到9.26~11.50,而介电损耗保持在10^(–3)量级。在Si3N4陶瓷中未检测到BaTiO_(3)结晶相,可以认为Si_(3)N_(4)陶瓷介电常数的提高主要来源于烧结过程中形成的TiN。这些结果有助于拓展Si_(3)N_(4)陶瓷的应用领域。

Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工表面粗糙度的数学模型

为了探索Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工中影响加工面表面粗糙度的因素及影响规律,分析了超声振动铣磨头磨粒的运动轨迹,在此基础上建立了加工面表面粗糙度的数学模型;采用该模型对Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工面表面粗糙度进行了预测,并对预测结果进行了试验验证。结果表明:主轴转速、进给速度、磨削深度和超声振幅对Si_3N_4陶瓷加工面表面粗糙度的影响程度由大到小依次减弱;表面粗糙度随主轴转速的增加迅速下降,随磨削深度和进给速度的增加而增大,随振幅的增加呈下降趋势;当Si_3N_4陶瓷主要以塑性方式去除时,其加工面表面粗糙度的试验结果和预测结果具有较好的一致性。

Si_(3)N_(4)和BN对铕掺杂硼硅酸盐玻璃发光性能的影响

铕离子在自然界中通常以Eu^(3+)存在,然而,铕离子单掺发光材料只有当Eu^(2+)和Eu^(3+)以合适浓度共存时才能实现白光发射。在还原气氛中制备铕掺杂硼硅酸盐玻璃时,很容易使得Eu^(3+)全部还原为Eu^(2+),因而很难获得Eu^(2+)和Eu^(3+)共存的发光材料。在空气氛围的烧成条件下对比研究了还原剂Si_(3)N_(4)和BN对铕掺杂硼硅酸盐玻璃发光性能的影响。结果表明,Si_(3)N_(4)和BN都能够在空气氛围下实现硼硅酸盐玻璃中铕离子的部分还原,且Si_(3)N_(4)的还原能力比BN更强。当Si_(3)N_(4)替代达到5 mol%,铕掺杂硼硅酸盐玻璃样品中Eu^(2+)浓度占优势,其CIE坐标为(x=0.29,y=0.34),表明以Si_(3)N_(4)还原铕掺杂硼硅酸盐玻璃在白光照明用荧光材料领域具有显著的应用潜力。

PECVD Si_(3)N_(4)薄膜淀积工艺

采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)制备氮化硅(Si_(3)N_(4))薄膜作为光电器件的重要介质膜,其性能好坏直接影响器件的性能。淀积的Si_(3)N_(4)薄膜主要用作光电探测器的扩散膜和增透膜,击穿电压是该器件中比较重要的测试参数。应力、击穿电压变化量则是器件的重要指标。通过试验对比和调试,发现不同工艺Si_(3)N_(4)介质膜应力和击穿电压变化量不同,最终实现了低应力、稳定击穿电压的膜层生长。300℃/150 W无氨Si_(3)N_(4)的压应力为50 MPa,在光照10 min后的击穿电压变化量小于0.1 V@50 V。

钨添加对Si_(3)N_(4)陶瓷力学性能的影响及强韧化机理研究

为了增韧Si_(3)N_(4)基陶瓷材料,以钨(W)作为第二相材料,Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)作为烧结助剂,采用气压烧结法制备了W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明:在W含量小于5%(质量分数)时,样品致密度均达97%以上;在W含量为5%(质量分数)时,获得的W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料综合性能最佳,弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00)MPa、(16.42±0.22)GPa和(8.04±0.16)MPa·m^(1/2),相比于未添加金属W的Si_(3)N_(4)陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%;通过分析W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构,发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制,消耗裂纹扩展能量,从而改善Si_(3)N_(4)陶瓷的断裂韧性。

烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能影响的研究现状

综述了一元烧结助剂、二元烧结助剂和三元烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能的影响。通过综合分析可知:烧结助剂的引入可降低Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结温度,提高Si_(3)N_(4)陶瓷的致密度;也可降低Si_(3)N_(4)陶瓷中玻璃相和氧含量,从而使Si_(3)N_(4)晶粒长大,使晶粒接触更加紧密。进而有效改善Si_(3)N_(4)陶瓷的导热性能。其中,二元烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能影响最大,通过适量调整烧结助剂的含量或烧结助剂间的比例可得到热导率较高的Si_(3)N_(4)陶瓷。