Sialon基陶瓷材料的研究进展及应用

Sialon基陶瓷材料因具有优异的性能 ,一直是材料科学领域关注的焦点 ,Sialon陶瓷的研究经历了从单相到复相的过程 ,本文详细论述了单相和复相Sialon陶瓷的种类、结构特征、制备方法 ,对各种Sialon陶瓷的性能特点进行了分析对比。结合Sialon陶瓷的性能 ,全面介绍了其广泛的应用领域。

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。

微波烧结SiAlON陶瓷立铣刀力学性能和切削性能研究

采用微波烧结方法制备了用于磨削SiAlON陶瓷立铣刀的棒料,研究了压制方式及压力对微波烧结SiAlON陶瓷棒料微观结构和力学性能的影响规律,制备了SiAlON陶瓷立铣刀,并对其切削性能进行了研究。结果表明:对于大长径比SiAlON陶瓷,径向压制可以获得密度分布更加均匀的生坯,压制压力为100MPa时,SiAlON陶瓷试样无微观缺陷,具有良好的机械性能。微波烧结的SiAlON陶瓷立铣刀可用于镍基高温合金高速切削,刀具寿命是进口涂层刀具的2倍。

cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷及刀具的制备与性能

采用放电等离子烧结技术,通过原位生成TiN包覆cBN(cBN@TiN)颗粒制备了cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷,研究了其物相组成、微观形貌、力学性能以及制成的可转位刀具连续干式切削球墨铸铁时的切削性能,并与β-Sialon陶瓷及刀具进行对比分析。结果表明:cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷由β-Sialon、cBN和TiN相组成,其抛光态表面无明显气孔,cBN@TiN颗粒均匀分布,未发生明显脱落,基体相晶粒呈等轴状和长棒状;cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷的相对密度和晶粒尺寸与β-Sialon陶瓷相近,硬度和断裂韧性分别为(17.40±0.11)GPa和(6.19±0.10)MPa·m^(1/2),高于β-Sialon陶瓷;与β-Sialon陶瓷刀具相比,cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷刀具的耐磨性更好,切削寿命更长。

β-SiAlON及β-SiAlON-SiC复合材料合成的研究

首先对β-SiAlON及其复合材料的合成试验进行了热力学分析,在不同温度、不同z值条件下采用还原氮化法制备了β-SiAlON以及β-SiAlON-SiC复合材料;XRD和SEM分析表明,不管是以Si、Al、Al2O3还是以Si、Al2O3为原料,在氮气气氛下用Si3N4埋粉,在常温常压下都可以合成较纯的βSiAlON。通过改变z值和控制烧结温度等试验发现,当z=0.6、T=1723K时能合成较纯的β-SiAlON,但随着z值的增加,会有少量的O’SiAlON杂质相生成;通过SEM分析表明,在一定温度下,控制适宜的工艺条件,随着z值的增加,β-SiAlON晶粒间开始析出部分晶须,并逐渐转变为明显交织的棒状结构,从而提高材料的断裂韧性。

加入SiC、SiAlON对刚玉-SiC-SiAlON材料组成、结构和力学性能的影响

以刚玉和8％Si粉为原料，1500℃埋碳烧后得刚玉-SiC—SiAlON复合材料。本文研究在加入8％Si粉基础上，另加入0～10％SiC或SiAlON粉对刚玉．SiC—SiAlON复合材料组成、结构和力学性能的影响。结果表明：加入SiC或SiAlON首先可促进Si反应完全，生成更多非氧化物使试样微膨胀量增加，重量增加；同时使试样的显气孔率提高，常温抗折强度降低；加入SiC使试样的结构疏松，高温力学性能下降；但由于生成较多O＇-SiAlON以及气孔率提高使试样的抗热震性明显提高；加入SiAlON，试样中生成较多的SiC，并有粒状的β-SiAlON存在，可明显提高试样的高温力学性能。

α-β-sialon FGM的制备研究

作为一种重要的结构陶瓷 ,sialon因其特有的物理、化学性能一直是该领域的研究热点 .sialon家族的两个重要成员 ,α -sialon具有高硬度 ,β -sialon则具有高韧性 .本课题研究了在相容区域内的α -sialon和 β-sialon的烧结行为 ,微观结构 .以此为基础制备了sialon基对称成分梯度陶瓷材料 ,研究了该材料的微观结构 ,并用有限单元法预测了残余应力 .其数值远低于sialon的抗压强度和抗张强度 。

Ca-α-Sialon和Y-α-Sialon的制备

用热力学方法分析了α Sialon合成的可能性 ,并通过制备Ca α Sialon和Y α Sialon进行了实验验证。对合成的Ca α Sialon和Y α Sialon采用XRD进行了相组成分析 ,运用SEM观察了合成材料的显微形貌 ,发现了长柱状的Ca α Sialon晶粒。

不烧Al-Si复合低碳Al_2O_3-β-SiAlON材料的抗氧化性能

采用大试样高温热重分析仪研究了不烧Al-Si复合低碳Al2O3-β-SiAlON材料（MAC-F）的抗氧化性,并与Al-Si复合不烧铝碳滑板材料（MAC-S）进行了比较。结果表明（1）两种材料在250-1100℃氧化时的质量变化规律相似,在500℃以前均处于质量损失状态;从500℃开始试样处于质量增加状态,500-1100℃之间两种材料质量变化率的增加量差别不大;1100℃以上材料MAC-S的质量变化率的增加量明显提高,而材料MAC-F质量变化率的增加量稍有降低。（2）1500℃氧化后,材料MAC-F质量增加率明显低于材料MAC-S的,氧化层很薄,厚度仅0.5mm。材料MAC-F的氧化层中有较多的短柱状莫来石晶体,均匀地分布在刚玉骨架结构的空隙中,形成致密的结构,对氧气进入材料的内部起到了阻碍作用。其氧化层表面覆盖着一层由莫来石和少量玻璃相组成的光滑薄膜,更有效阻碍了氧气向内部的渗透。因此,材料MAC-F与材料MAC-S相比,抗氧化性能更为优异。

高铝矾土-硅粉氮化合成SiAlON的过程研究

分别以w(Al2O3)为68.08%和45.56%的两种高铝矾土及硅粉为原料,按合成SiAlON的理论配比配料(Si粉过量5%),成型后在流动N2(流量为0.06～0.1m3·h-1)中进行热重分析,同时测定试样在不同温度(900～1500℃)保温6 h后的质量变化,并分析氮化后试样的物相变化,从而探讨该试样的氮化过程及其机理.结果表明,高铝矾土-硅粉试样在流动N2中的氮化反应过程可大致分为3个阶段:1)Si粉氮化阶段(900～1200℃),Si粉氮化生成Si3N4和Si2N2O;2)SiAlON形成阶段(1300～1400℃),生成O'-SiAlON和β-SiAlON;3)β-SiAlON的生长发育阶段(1450～1500℃),部分O'-SiAlON转化为β-SiAlON,Al2O3在β-SiAlON中的固溶度增加.

TiN增强SiAlON复合物采用传感器辅助快速微波加热法在单模腔中的烧结

本研究将17%Ti N增强α-β Si Al ON复合物在传感器辅助的微波加热系统中进行烧结。探索了Ti N的加入对粉状原料介电性能的影响,以及烧结温度对α-β Si Al ON复合物相变、微观结构演变及其机械性能的影响。结果表明Ti N的加入加强了微波吸热的效能,这在烧结温度峰值上得到了体现。α∶β比值因此降低了,各项机械性能得到了改善,突出表现在复合物断裂韧性的改善方面。另外,本研究列出了针对实验室微波辅助烧结过程的能量消耗估算数据。最终,本研究确定获得最高相对密度(97.1%)、维氏硬度(13.35±0.47 GPa)以及断裂韧性(7.52±0.54 MPa·m^(1/2))的试验条件为1 300℃下烧结30 min。

添加Y_(2)O_(3)对复相Sm-Sialon陶瓷反应过程和材料机械性能的影响

在有关相关系研究基础上，设计和制备具有不同α－Ｓｉａｌｏｎ／β－Ｓｉａｌｏｎ比例的单稀土Ｓｍ复相Ｓｉａｌｏｎ陶瓷材料．研究Ｙ２Ｏ３的添加对Ｓｉｎ－Ｓｉａｌｏｎ复相陶瓷反应生成过程和致密化性能影响．结果表明：添加剂Ｙ２Ｏ３能促进α－Ｓｉａｌｏｎ生成及反应过程中间产物（Ｙ，Ｓｍ）－黄长石消失，有利于材料的致密化和机械性能提高．

Sialon粉体的无压烧结

为获得致密的Sialon陶瓷材料,采用自制Sialon粉末,分别添加8.5%Al2O3-1.5%Y2O3和8.5%Si3N4-1.5%Y2O3(均为质量分数)系两种烧结助剂后进行充分混合,混合物粉末在钢模中冷压成两种压坯试样,然后在N2气氛中分别在1600℃保温4h和1550℃保温4h进行无压烧结。利用XRD、SEM等技术表征反应过程和产物特征。试样的体积密度分别达到最高值3.1g/cm3和3.02g/cm3;显微硬度分别为1639HV/GPa0.5和1651HV/GPa0.5。

Al_2O_3-SiC-SiAlON复合材料的制备和性能

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉、Si粉和矾土基β-SiAlON粉为原料,以树脂为结合剂,制备了复合材料试样.研究了1 500℃烧后试样的物相组成、显微结构以及常温物理性能、高温抗折强度和抗热震性.结果表明:(1)在刚玉中引入适量Si粉高温埋碳条件下可合成Al2O3-SiC-SiAlON复合材料,引入适量β-SiAlON可促进Si反应,且复合材料1 500℃烧结良好;(2)复合材料的高温抗折强度和抗热震性随Si粉加入量增加而提高,加入β-SiAlON后材料的高温机械性能进一步提高;(3)材料高温机械性能提高的原因在于Si粉在高温下与C、CO和N2反应生成晶须状或纤维状SiC和絮状O’-SiAlON填充气孔,形成交叉连锁的网络结构,对材料起增强和增韧作用.

Sialon结合的耐火材料成份分析及表示

通过对Sialon及Sialon结合的耐火材料的成份分析,根据Sialon及Sialon结合的耐火材料的组成及特点,指出无论是Sialon还是Sialon结合的材料,都是一个含有Si、Al、O、N化合物和氧化物有时还含有金属的混合体系.同时提出了一种Sialon及Sialon结合的耐火材料化学分析结果的表示方法.

Al_2O_3添加量对锆英石合成ZrN-Sialon的影响

借助XRD和SEM手段,研究了以锆英石和工业氧化铝为原料,在不同温度下采用碳热还原氮化工艺合成ZrN-Sialon复相材料时,氧化铝添加量对复相材料中Sialon相z值的影响。结果表明:在1 500和1 550℃下,产物形貌以颗粒状的ZrN和长柱状的β-Sialon为主;当Al2O3用量为理论量和过量5%时,Sialon相主要为Si3Al3O3N5(β-Sialon,z=3);当Al2O3用量为过量10%和20%时,Sialon相出现Si2Al4O4N4(β-Sialon,z=4)。在1 600℃下,产物均为ZrN和Sialon相,其中Sialon相转化为具有片状形貌特征的SiAl4O2N4(15R型AlN多型体);增加Al2O3添加量会促进Sialon相的转化。合成ZrN-Sialon复相材料的适宜氧化铝用量为理论量或过量5%,适宜温度为1 550℃。

硅铝系固体废弃物合成Sialon材料的研究进展

以硅铝系固体废弃物为原料合成Sialon环境材料,不仅为固体废弃物的深度利用提供了一条新的思路,而且为Sialon材料的廉价合成提供了一条新的绿色工艺.简单介绍了冶金-高炉钙硅铝(钛)废渣、大宗能源系富含硅铝矸石尾矿、电厂铝硅铁灰渣、高硅多杂江河淤泥沙、稀土及贵金属伴生硅酸盐选矿后尾矿等硅铝系固体废弃物的概况,详细阐述了硅铝系固体废弃物合成Sialon材料的国内外发展现状,并对其发展前景进行了展望.

(Ca,Mg)-Sialon 陶瓷在空气及水润滑条件下的磨损机理研究

利用ＳＲＶ球－盘磨损试验机考察了一种（Ｃａ，Ｍｇ）－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷在空气及水中的摩擦学性能，并采用ＥＰＭＡ、ＳＥＭ、ＥＤＡＸ以及ＸＰＳ等分析手段对其磨损机理做了进一步研究．结果表明：（Ｃａ，Ｍｇ）－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷在水中比在空气中具有更低的摩擦因数，但具有较高的磨损体积损失．在干摩擦条件下，（Ｃａ，Ｍｇ）－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷主要发生了断裂磨损及磨粒磨损，而在水润滑条件下则主要发生了摩擦化学磨损．

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。

硅铝凝胶粉结合SiAlON增强A1_2O_3-SiC-C浇注料

以电熔致密刚玉和碳化硅为骨料,硅铝凝胶粉、氮化硅粉、硅粉为细粉,制成SiAlON增强Al2O3-SiC-C浇注料,研究了硅铝凝胶粉的加入量分别为1%、3%、5%(质量分数,下同)时对此浇注料的烧结性能、力学性能的影响。结果表明:采用硅铝凝胶粉取代纯铝酸钙水泥作结合剂,可使SiAlON增强Al2O3-SiC-C浇注料在经中温、高温热处理后的常温抗折强度及耐压强度较大提高,中温、高温强度提高幅度更大。另外,随着硅铝凝胶粉加入量的增加,浇注料的常温及高温强度呈先增大而后减小的趋势。由X射线衍射和扫描电镜分析结果可知,硅铝凝胶粉的加入既有利于降低βSiAlON的生成温度,又可以减少材料中的低熔物质。分布均匀、发育良好的粒状βSiAlON的形成是SiAlON增强Al2O3-SiC-C浇注料较水泥结合浇注料强度高的根本原因。