Formation of Polytypoids(12H and 21R)in High Temperature Nitrogen Atmosphere and Their Effects on SiC-MgAl_(2)O_(4) Composites

SiC-MgAl_(2)O_(4) composites with SiAlON polytypoids(12H and 21R)as the bonding phases were prepared using SiC fine powder,MgAl_(2)O_(4)fine powder and Al powder as raw materials.The effects of the firing temperature and the mass ratio of SiC to MgAl_(2)O_(4) on the formation of SiAlON polytypoids as well as on the properties of samples were studied.The formation mechanism of SiAlON polytypoids was discussed.The results show that firing at 1650℃in the nitrogen atmosphere,SiC-MgAl_(2)O_(4) composites with SiAlON polytypoids can be obtained.With the gradual increase of the mass ratio of SiC to MgAl_(2)O_(4) in the raw materials,12H forms first,and then coexists with 21H,finally,all 12H converts into 21R in samples.Both phases are plate crystals with flat and smooth edges.Compared with 21R,12H is conducive to improving the density and the cold mechanical properties of materials.After firing at 1650℃in the nitrogen atmosphere,with the mass ratio of SiC to MgAl_(2)O_(4) of 6:4,the sample has the cold modulus of rupture of 27 MPa,showing the optimal performance.

Ca-α-SiAlON:Eu^2+荧光发光材料的合成与发光性能

以α-Si3N4,AlN,CaCO3,Eu2O3为原料,采用固相烧结法获得了组成为CaxEuySi12-(3x+4.5y)Al3x+4.5yOx+1.5yN16-(x+1.5y)(x=0.220~1.525,y=0.02~0.15)的荧光发光材料。应用X射线衍射(XRD)仪,扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计,研究了不同组成及烧结工艺对Ca-α-SiAlON:Eu2+的制备,Eu2+掺杂和荧光发射的影响。在所研究的组成范围,可以获得单相、Eu2+掺杂的Ca-α-SiAlON:Eu2+陶瓷粉体。提高烧结温度可以进一步改善Eu2+离子的分布均匀性。Ca-α-SiAlON:Eu2+在紫外-可见光部分具有强烈的吸收,其激发光谱的峰值波长为~270nm、400nm,发射光谱的峰值波长为~570nm。采用氢气,氮气混合气氛烧结合成的Ca-α-SiAlON:Eu2+的发光强度要高于氮气气氛烧结合成的样品。

碱金属和锌对高炉用SiAlON结合刚玉砖的复合侵蚀

将高炉用SiAlON结合刚玉砖制成外部尺寸为50mm×50mm,内孔尺寸为25mm×25mm的坩埚,分别加入由Na2CO3、K2CO3、ZnO和宝钢高炉现场高炉灰配制的炉渣(其w(Na2O+K2O)=2.75%,w(ZnO)=5.1%)和用K2CO3、ZnO、石墨配制的炉渣(其w(Na2O+K2O)=25%,w(ZnO)=25%),然后分别在还原气氛下于1350℃16h和1100℃40h进行侵蚀试验。将侵蚀后的试样纵向对称剖开,观察渣对试样的侵蚀和渗透情况,进行SEM和EDAX分析。结果表明:碱金属和锌含量不同的两种炉渣对SiAlON结合刚玉砖的侵蚀速度都很小;碱金属侵蚀机理主要是SiAlON与碱蒸气反应生成钾霞石,与渣反应生成铁橄榄石,并参与硅酸盐玻璃相的生成;刚玉颗粒与渣中的FeO、Na2O和K2O反应生成铁铝尖晶石和少量针状β-Al2O3;锌对该砖没有产生明显的化学侵蚀。

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.

粉煤灰合成SiAlON粉体研究

以粉煤灰、石墨粉、氧化铝、二氧化硅等为主要原料,采用碳热还原氮化法合成了SiAlON粉体。研究了Fe2O3含量不同的粉煤灰,即未除铁粉煤灰(Fe2O3的质量分数为4.16%)、酸洗除铁后的粉煤灰(Fe2O3的质量分数几乎为0)和磁选除铁后的粉煤灰(Fe2O3的质量分数为3.46%),配料的m(SiO2)∶m(Al2O3)(分别为1.176、1.55和2.35),碳加入量(分别为理论加入量、过量10%、过量100%和过量150%)以及反应温度(分别为1350℃、1400℃、1420℃、1430℃和1460℃)对合成产物相组成的影响。研究表明:以经过磁选除铁后的粉煤灰(Fe2O3的质量分数为3.46%)为原料,当配料的m(SiO2)∶m(Al2O3)为1.4,碳粉加入量为理论值的2倍(即过量100%)时,于1420℃保温20h合成的产物的主要物相为βSiAlON。

Sialon-SiC耐磨陶瓷的制备及液固冲蚀磨损性能研究

为解决钻探设备关键零部件磨损失效和寿命短的难题,制备新型高耐磨低成本先进陶瓷材料具有重要的科学价值。以Si,Si3N4,Al2O3,AlN和SiC等为原料,通过氮化反应烧结制备Sialon-SiC复相耐磨陶瓷材料,其主要物相为β-Sialon和α-SiC,其中β-Sialon晶粒呈长柱状。加入30%细颗粒SiC可显著提高Sialon-SiC复相陶瓷液固冲蚀磨损性能。SiC细颗粒的"阴影效应"能够保护背向冲蚀面的基体相免受冲蚀破坏。Sialon-SiC复相陶瓷的液固冲蚀磨损主要表现为材料内的气孔边缘、缺陷区域和基体的凿削和切削。

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。

由煤矸石制备塞隆材料的反应条件研究

以内蒙古煤矸石为主要原料,采用高温还原氮化方法合成塞隆材料,研究了碳含量、煅烧温度以及保温时间对煤矸石碳热还原氮化反应程度和反应产物的影响.通过试样烧失率的计算,以及采用XRD和SEM分析,研究煤矸石在碳热氮化反应过程中得到β′-SiAlON相、X相及O′-SiAlON相的反应条件.研究表明:反应过程中,随着还原剂碳的增加,试样的烧失率逐渐增大,而保温时间对烧失率和反应生成物的影响不大;在煤矸石碳热还原氮化反应中,反应生成物X相均较少,最高只有12.88%,反应条件应为反应温度高于1 420℃,含碳量大于10%;还原剂碳含量和温度对生成β′-SiAlON相、O′-SiAlON相有显著影响,还原剂碳的合适加入量为10%～16%;当反应温度高于1 420℃×6h时,有利于β′-SiAlON相、O′-SiAlON相的生成.在1 420℃、含碳量14%时,生成主晶相β′-SiAlON相占57.21%;在1 350℃,Z=0.4时,碳含量为16%时,生成O′-SiAlON相占23.80%.

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。

SiAlON增强Al_2O_3-SiC-C铁沟料用后分析

对原位SiAlON增强Al2O3-SiC-C铁沟浇注料进行了工业应用试验,并对用后铁沟浇注料残样进行了XRD、SEM和EMPA分析。结果表明:1)SiAlON增强Al2O3-SiC-C铁沟浇注料抗侵蚀性优良,一次性通铁量达到15万t以上;2)用后SiAlON增强Al2O3-SiC-C铁沟浇注料可分为蚀变层、反应层和原质层,各层中均有粒状β-SiAlON分布;3)SiAlON增强Al2O3-SiC-C铁沟浇注料在现场使用环境下比在实验室条件下更容易原位生成β-SiAlON,β-SiAlON的生成是该浇注料具有优良使用性能的根本原因。

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。

不同气氛下合成的SiAlON结合刚玉或碳化硅材料的研究

以刚玉细粉、碳化硅细粉、氮化硅细粉、α-Al2O3微粉和金属Al粉为主要原料，聚乙烯醇为结合剂，经球磨、混练、困料和成型后，分别在空气裸烧（氧化气氛）、埋石墨粉（还原气氛）、埋石墨＋碳化硅混合粉（还原气氛）3种气氛下进行1600℃6h热处理制备了SiAlON结合刚玉或碳化硅复合耐火材料，并研究了刚玉或碳化硅粉加入量（7．5％～90％，质量分数）和烧成气氛对SiAlON相的生成量、晶体形貌以及耐火制品的相组成、显微结构和性能的影响：结果表明：（1）随着刚玉粉含量的增加，3种气氛下烧后的SiAlON结合刚玉材料的致密度均增大，烧结性能增强；但氧化气氛下烧结性能好于还原气氛下的。（2）2种还原气氛下烧成的SiAlON结合刚玉试样的相组成均为刚玉、SiAlON和SiC；而在氧化气氛下烧成的试样出现了分层现象，其非氧化层主要为SiAlON、刚玉和少量的莫来石。（3）不同气氛下烧成的SiAlON结合刚玉材料中均有柱状或纤维状的SiAlON生成，但氧化气氛下的SiAlON柱状物比还原气氛下的要粗壮、完整得多，且成群生长。（4）随着SiC粉含量的增加，SiAlON结合碳化硅材料在2种还原气氛下烧后的致密度降低，烧结性能下降；而在氧化气氛下烧后严重氧化，形成了较厚的釉层。

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。

Si粉和Si-Al复合粉加入量对原位合成Al_2O_3-SiC-SiAlON材料抗氧化性的影响

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉、Si粉、Al粉为原料,在普通刚玉砖的配料中分别加入5%(质量分数,下同)和8%的Si粉或7%(Si)+1%(Al)、5%(Si)+3%(Al)和3%(Si)+5%(Al)的Si-Al复合粉,以树脂为结合剂,在150MPa下成型为25mm×25mm×125mm的5组试样,经150℃24h固化后,在埋炭条件下于1500℃保温3h烧成,冷却后在空气中进行常规热重分析和大试样热重分析,测量氧化后试样剖面的氧化层厚度和氧化面积百分数,并进行了相应的XRD和SEM分析。结果表明:1)原位合成的刚玉-SiC-SiAlON试样的氧化属于保护性氧化;2)随着Si粉加入量的增加,试样的抗氧化性增强;随着Al粉的加入及其加入比例的增大,试样的抗氧化性减弱。

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。

Synthesis and luminescent properties of low oxygen contained Eu^(2+)-doped Ca-α-SiAlON phosphor from calcium cyanamide reduction

A new convenient calcium cyanamide （CaCN2） reduction route was developed to synthesize the Eu^2＋ activated Ca-α-SiAION phosphors containing low oxygen content. The luminescence properties of the obtained products were investigated for white LEDs application. The critical Eu^2＋ concentration in various hosts and its effect on the photoluminescence properties were studied. The optimized sample （10at.% Eu^2＋ vs. Ca^2＋） could be efficiently excited by the current GaN/InGaN blue LED chips and provided emission intensity competitive with that of YAG：Ce^3＋ （P46-Y3） standard, revealing that this phosphor was a potential candidate for phosphor-converted white LEDs.