石墨粒度对赛隆-石墨复相材料相组成和显微结构的影响

以氮化铝粉(w(AlN)=99%)、硅粉(w(Si)=99%)、活性氧化铝微粉(w(Al2O3)=99%)和鳞片石墨为主要原料,在流动N2气氛下分别于1 480和1 550℃制备赛隆-石墨复相材料。研究了石墨粒度(300、125、45μm)和烧成温度(1 480、1 550℃)对β-SiAlON合成率的影响,同时借助XRD、SEM等手段分析和观察了材料的物相变化和断口形貌。结果表明,在1 480和1 550℃下,石墨均阻碍了β-SiAlON的合成:在1 480℃,石墨阻碍了α-Si3N4向β-Si3N4转化,并且石墨粒度越小,阻碍作用越显著;在1 550℃,碳热还原反应加剧,石墨对15R-SiAlON的生成更有利,并且石墨粒度越小,生成15R-SiAlON的趋势越大。

高纯β-SiAlON粉料的可控合成

在Si3N4-SiO2-Al2O3-AlN体系中,采用拟抛物面规则对不同组成SiAlON相的热力学性能进行了评估,并研究了β-SiAlON相的合成热力学条件.以煤矸石为主要原料,加入适量碳黑作为还原剂,在不同气氛(空气或不同纯度的氮气)下合成了β-SiAlON,并研究了β-SiAlON粉料在不同气氛下的相转化.热力学分析表明,不同的SiAlON相可以在合适的气氛参数Y=lg(PO2/Pθ)-2/3lg(PN2/Pθ)下合成,较低的Y值有利于β-SiAlON相的合成.过量碳存在时提高通氮纯度α将会降低气氛中的Y值,其关系式为Y=2lg[(2-2α)/(2-α)]-2/3lg[α/(2-α)]-15.616.实验结果表明:热力学分析得到的合适初始参数可以实现高纯β-SiAlON的可控合成,当初始参数为T=1800K,埋焦炭保护,通入氮气纯度α=0.995～0.999时可获得较好的结果.

加入β-SiAlON对铝碳质材料性能的影响

以白刚玉、熔融石英(≤0.5mm)为骨料,鳞片石墨(≤0.15mm)、白刚玉(≤0.088mm和≤0.045mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088mm)以及添加剂为基质料,酚醛树脂作结合剂,在骨料与基质的质量比为35∶65的基础上,分别用0、7%、14%、21%、28%的矾土基β-SiAlON取代铝碳质材料中的石墨,经等静压成型后,试样于180℃固化24h,并在埋炭条件下于930℃热处理,研究了β-SiAlON加入量对处理后试样常温物理性能、抗氧化性、高温机械性能和抗热震性的影响。结果表明:(1)随着β-SiAlON加入量的增加,试样的显气孔率显著上升,体积密度降低,常温和高温抗折强度下降,抗氧化能力变差;(2)与原铝碳材料相比,加β-SiAlON的试样抗热震性均有所降低,但仍保持了良好的抗热震性,在1100℃热震温差下水冷3次和5次后的强度保持率均在90%和75%以上;(3)从降低C含量的角度考虑,在不显著降低铝碳材料性能的情况下,β-SiAlON加入量以7%左右较为适宜,此时试样仍具有较好的抗氧化性和高温抗折强度。

利用粉煤灰微珠制备β-SiAlON空心球

将不同粒径（〈15μm、43～77μm和〉100μm）的粉煤灰微珠分别与一定比例的（低于理论用量20％、理论用量、高于理论用量10％）活性炭均匀混合后，置于氧化铝坩埚中，在高温氮化炉中分别于1300℃、1350℃、1400℃、1450℃和1500℃保温6h处理制备β-SiAlON空心球。借助XRD和SEM研究了温度、微珠粒径和活性炭用量对粉煤灰微珠氮化后相组成和形貌的影响。结果表明：粉煤灰微珠的氮化反应开始于1300℃；过量的活性炭是形成β-SiAlON空心球的必要条件，粒径是微珠氮化后维持球形形貌的重要因素；1500℃，在活性炭过量10％的条件下，利用粒径大于100μm的粉煤灰微珠制备的β-SiAlON空心球，具有表面粗糙、空心度大和密度低等特点。

铝-硅复合还原氮化合成矾土基β-SiAlON的研究

以高铝矾土(Al2O3含量68%)、金属铝粉和硅粉为原料,按一定比例配料、混料,将混合均匀的试样,在1100℃～1550℃氮化处理6h,然后测定氮化试样的重量变化率,借助XRD、SEM及EDS等手段,分析试样的物相组成、显微结构和微区成分。对比单一还原剂铝、硅的反应过程,研究铝-硅复合还原剂还原氮化合成矾土基β-SiAlON的反应过程及机理。结果表明:1100℃,铝粉氮化生成AlN,同时铝粉还原SiO2生成Si;1200℃,硅粉氮化生成Si3N4,同时有硅粉、氮气和SiO2反应生成Si2N2O;1300℃～1350℃,Si3N4通过固溶逐渐转化为β-SiAlON,同时有少量硅粉发生还原反应;1400℃～1550℃,试样进入固溶阶段,β-SiAlON量逐渐增多,1500℃达最佳值,生成的β-SiAlON为颗粒状和短柱状。与单一还原剂相比复合还原剂生成β-SiAlON的含量相对较高,晶体发育较好。

一维β-SiAlON材料可控合成

以si粉、A1粉和A1203粉为原料压制成条样，在1650～1850K氮气和埋si3N4颗粒气氛下分别合成了β-SiAlON晶须、带状和柱状晶，并系统研究了一维β-SiAlON材料可控合成条件，进而结合热力学分析了一维β-SiAlON材料的生长机制。结果表明：以si粉、Al粉和A1203为原料，在氮气（纯度99．9％）和埋Si3N4颗粒气氛下在1650-1850K保温6h，可以合成不同形貌的一维D．SiAlON材料。生长温度是一维β-SiAlON材料形貌控制的关键因素。生长温度为1650K时，合成了β-SiAlON晶须，晶须直径200,-400nlTh长径比100~1000；生长温度在1700--1800K时，可以合成β—SiAlON带状晶体，厚度为200mTl，宽度为l~4凹1，长宽比在10-20之间；生长温度升高至1800K时，出现大量柱状晶体。结合晶须显微结构形貌和热力学分析，B．SiAlON晶须的生长机制为气-固（VS）生长机制。

低碳Al_2O_3-β-SiAlON烧成滑板的热机械性能及显微结构

用10%的矾土基β-SiAlON替代普通铝碳烧成滑板中的部分炭素材料和刚玉,研究了低碳Al2O3-β-SiAlON烧成滑板的高温抗折强度、抗热震性能及显微结构.研究结果显示：这种滑板材料与普通烧成铝碳滑板材料相比较,碳含量降低了4%～6%,但在中、高温 （1000～1400 ℃） 强度有明显提高,抗热震性略有改善.其主要原因是引入的矾土基β-SiAlON与刚玉之间有较紧密的直接结合,起到了强化、韧化的作用.

β-SiAlON加入量对刚玉基超低水泥浇注料流变性的影响

以矾土基电熔刚玉为骨料,电熔白刚玉粉、αAl2O3微粉、SiO2微粉、纯铝酸钙水泥和矾土基β-SiAlON为基质,固定骨料和基质的质量比为68∶32,水泥加入量(质量分数,下同)2%,SiO2微粉和Al2O3微粉总加入量为8%,分别用0、4%、6%、8%和10%的β-SiAlON替代刚玉细粉,加水混匀后制成刚玉基超低水泥浇注料。用浇注料流变仪研究了βSiAlON加入量对此浇注料流变性(包括扭矩、流动阻力和粘度)的影响,结果表明:随βSiAlON加入量的增加,在变化的剪切速率下,刚玉基浇注料的扭矩、剪切粘度和流动阻力增加,流变性变差,自流浇注所需加水量增加,流动性降低。综合考虑,合适的β-SiAlON加入量为4%～6%。

矾土基β-SiAlON结合刚玉-碳化硅复合材料抗氧化性能的研究

研究了矾土基β-SiAlON(质量分数分别为15%、20%和25%)结合刚玉-碳化硅复合材料在1100～1300℃间的氧化行为。结果表明:复合材料具有较好的抗氧化性能,其氧化属保护型氧化,原因在于氧化后试样的表面存在着非晶质薄层,在非晶质薄层下又有一氧化致密层,阻止、减缓了O2向复合材料内部的进一步扩散;氧化层中的物相主要为β-SiAlON、碳化硅氧化后生成的莫来石和方石英;在氧化后期,复合材料的表观氧化活化能基本随着β-SiAlON含量的增加而增大,β-SiAlON含量为25%的复合材料的表观氧化活化能高达9586kJ.mol-1。

β-SiAlON结合刚玉砖的高温力学性能与显微结构

以常用的刚玉砖和低蠕变高铝砖作对比材料，研究了β-SiAION（包括氧化铝基β-SiAlON和矾土基。β-SiAION）结合刚玉砖的高温力学性能、显微结构特征和断裂特征。结果表明：（1）β-SiAION结合刚玉砖在1400℃时的抗折强度是刚玉砖和低蠕变高铝砖的5倍以上，其塑性变形开始温度和粘滞流动开始温度都较刚玉砖和高铝砖的高200～300℃，在相同条件下，其高温蠕变变形率仅为低蠕变高铝砖的10％-20％；（2）在β-siAlON结合刚玉砖中，主晶相刚玉颗粒构成了砖体的骨架结构，原位生成的β-SiAlON晶体填充于刚玉颗粒的间隙中，与粒状刚玉结合紧密，这种结构特征增强了复合材料的高温力学性能；（3）在1400℃高温下，β-SiAlON结合刚玉砖的断裂方式是以穿颗粒断裂为主的混合断裂。

β-SiAlON-cBN陶瓷复合材料的制备与性能

采用放电等离子烧结(SPS)在1 500℃下制备不同立方氮化硼(cubic Boron Nitride,即cBN)含量的β-SiAlON-cBN陶瓷复合材料,研究cBN含量对陶瓷复合材料的物相组成、显微组织和性能的影响.XRD分析表明:在添加复合烧结助剂的条件下合成的β-SiAlON-cBN陶瓷复合材料,β-SiAlON的量随着cBN含量的增加而增加.FESEM观察结果表明:cBN颗粒较均匀地分布在β-SiAlON基体中,一些cBN颗粒表面出现可剥离的层片状物质六方氮化硼(hBN).随着cBN含量的增加,β-SiAlON-cBN陶瓷复合材料的相对密度先下降后略有上升,硬度呈现降低趋势,断裂韧性则先升高后略有降低.β-SiAlON-10%cBN(质量分数)的相对密度和硬度分别为96.8%和13 GPa,β-SiAlON-30%cBN的断裂韧性可达到KIC=3.2 MPa·m1/2.

β-SiAlON对MgO-C材料性能的影响

以电熔镁砂颗粒（5-3 mm、3-1 mm、≤1 mm）、电熔镁砂细粉（≤0.088 mm）、鳞片石墨（≤0.15 mm）、矾土基β-SiAlON细粉（≤0.088 mm,气孔率28%,Z=2）为主要原料,配制成w（鳞片石墨）＋w（矾土基β-SiAlON细粉）分别为12%＋0、4%＋6%、4%＋9%和4%＋12%的4组配料,采用酚醛树脂作结合剂,以180 MPa压力成型,经185℃10 h固化后,按相关标准检测了试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度、抗热震性、抗氧化性和抗渣性。结果表明：随着试样中w（鳞片石墨）＋w（矾土基β-SiAlON细粉）按12%＋0、4%＋6%、4%＋9%、4%＋12%的顺序变化,试样的显气孔率有所上升,体积密度略有降低;试样的常温耐压强度、常温抗折强度、1 400℃高温抗折强度、抗热震性和抗氧化性均有不同程度的提高;抗渣侵蚀性以w（鳞片石墨）＋w（矾土基β-SiAlON细粉）为4%＋6%的试样略高,其他试样则有所降低。

烧成制度对合成β-SiAlON-15R复相材料的影响

以硅粉、金属铝粉、氧化铝微粉为主要原料，在氮气气氛中分别于1500、1550和1600℃合成15-SiAlON（Z=2．5）和15R（Z=3）含量各为50％（w）的β-SiAlON-15R复相材料。利用TG-DSC和XRD研究了烧成制度对合成β-SiAlON-15R复相材料的影响。结果表明：（1）在500—550℃缓慢升温，850、1080和1300℃保温，有利于铝和硅氮化形成足够的氮化铝和氮化硅网络，抑制金属熔体的析出。（2）随着烧成温度的升高，合成材料中β-SiAION相含量降低，15R相含量增加，残余Al2O3减少。

矾土基β-SiAlON-刚玉料致密度的研究

以矾土粉、Al粉、Si粉、刚玉颗粒为主要原料,固定β-SiAlON的设计z值=2,SiAlON和刚玉颗粒的设计含量(质量分数)各50%,经混练、成型、干燥后,于1 500℃氮化烧结5 h制成β-SiAlON-刚玉试样,研究了生坯的成型压力、助烧剂Y2O3的加入量以及刚玉颗粒的粒度级配对试样显气孔率和体积密度的影响。结果表明,优化刚玉颗粒的粒度级配,增大成型压力,增加Y2O3的加入量,均可降低合成料的显气孔率,提高其体积密度。用逐次回归分析方法建立了合成料的显气孔率、体积密度与成型压力、Y2O3加入量之间的非线性函数模型,两模型均具有高的可信度,可用于预测矾土基β-SiAlON-刚玉料的显气孔率和体积密度。

添加TiO_2对反应烧结制备SiAlON的影响

为探讨TiO_2作为助烧结剂制备β-SiAlON的可行性,以粒度均为0.074 mm的金属Al粉、单质Si粉、α-Al_2O_3粉为主要原料,以无水乙醇为介质球磨12 h后,将经60℃干燥12 h后的粉料以乙二醇和酚醛树脂为结合剂混合均匀成型,在管式氮化炉中分别经1 350、1 400、1 450、1 500和1 550℃保温3 h高温氮化制备β-SiAlON陶瓷,研究了烧成温度和添加TiO_2对β-SiAlON陶瓷烧结性能的影响。借助XRD分析试样中晶相组成和晶胞参数,采用SEM及EDS对试样的微观形貌进行分析与观察。结果表明:高温氮化制备β-SiAlON的过程中,添加4%(w)的TiO_2可以降低氮化烧结温度,增加β-SiAlON的生成量;TiO_2的加入在较低温阶段可以促进Al_2O_3在Si_3N_4中的固溶,高温阶段则形成液相有利于β-SiAlON的致密化烧结。

铝碳复合还原氮化制备矾土基β-SiAlON

分别以复合还原剂铝碳,单一还原剂铝、碳还原氮化铝土矿(Al2O3含量为68%)(文中含量均为质量分数)制备β-SiAlON。利用XRD、SEM和EDS等检测手段和试样在1 100～1 550℃温度范围的质量变化率,研究了制备β-SiAlON的相变过程和铝碳复合还原剂对生成β-SiAlON的含量和显微结构的影响。结果表明:1 100℃时,铝粉氮化形成AlN,同时铝粉还原二氧化硅生成Si;1 200℃时,Si和氮气反应生成Si3N4;1 300～1 350℃,还原剂碳参与还原反应,β-SiAlON开始生成;1 400～1 550℃时,进入固溶阶段,β-SiAlON量增多,1 550℃时含量达到最高。与单一还原剂相比,铝碳复合还原剂制备的β-SiAlON的晶体截面形态呈长柱状,结晶发育较好。

Conductivity properties of β-SiAlON ceramics

The thermal diffusivity and heat capacity of β-SiAlON ceramics with different Z values(0.6,1.5,3.0) were measured by laser flash technique and differential scanning calorimetry(DSC),respectively.The thermal conductivity of β-SiAlON was calculated from thermal diffusivity,heat capacity and density and it decreased and then kept almost constant with increasing of temperature.Two different models representing effective thermal conductivity were established and the various parameters of these models were simulated based on the results from the present work.The fitted regression lines were in good agreement with the experimental values.