冰模板法制备反应结合多孔Si_3N_4/SiC复相陶瓷

以微米级SiC和Si粉为原料,采用冰模板法和氮化反应烧结法制备了孔道中修饰α-Si3N4、Si2N2O纳米线的β-Si3N4结合多孔SiC复相陶瓷。研究了反应烧结温度、SiC/Si比和固相含量对多孔陶瓷的物相结构、形貌、孔分布和压缩强度的影响。结果表明:多孔陶瓷具有层状定向通孔结构,孔隙率介于50%～70%之间,孔径分布呈现双峰分布特点;当烧结温度达到1350℃以上时,在层状孔道中交织形成α-Si3N4和Si2N2O纳米线的网络结构。反应温度超过1450℃时,通过液态Si的氮化反应原位形成β-Si3N4结合相将SiC颗粒粘结起来;当浆料中Si含量由16wt%增加至33wt%时,多孔陶瓷的开气孔率从69.78%降至62.64%,而压缩强度由2.2 MPa提高到8.73 MPa;随着浆料固相体积含量从25%增加到45%,多孔陶瓷的气孔率从71.81%降至54.85%,同时压缩强度从4.99 MPa提高到24.16 MPa。

添加多晶硅废料制备SiC/Si_3N_4复相结合SiC耐火材料

以碳化硅、多晶硅废料、金属硅粉为原料,纸浆废液为结合剂,采用反应烧结工艺制备SiC/Si3N4复相结合SiC耐火材料。运用热力学分析了利用多晶硅废料代替部分工业金属硅粉和碳化硅细粉制备SiC/Si3N4复相结合SiC耐火材料的理论可行性。系统地分析了单质硅氮化机理,提出Si首先与N2中的微量氧反应形成气态SiO,至体系氧分压降至P(O2)/Pθ<1×10-18.9,Si直接氮化。研究了多晶硅废料对材料物相组成和微观结构的影响。结果表明:利用多晶硅废料制备的SiC/Si3N4复相结合SiC耐火材料性能优异;多晶硅废料的添加使反应生成的结合相由原先单一的Si3N4变为Si3N4和β-SiC,两结合相发挥各自的性能优势;多晶硅废料中的硅粉粒径小,活性大,与工业金属硅粉共存时能发生逐级氮化作用,增加了纤维状Si3N4含量,优化了材料结构。

反应烧结制备Si3N4/SiC复相陶瓷及其力学性能研究

以两种不同配比Y2O3/Al2O3(A,2:3;B,3:1,总量15 wt%)为烧结助剂,通过添加不同质量分数的SiC粉体,反应烧结制备了高强度的氮化硅/碳化硅复相陶瓷。并对材料的相组成、相对密度、显微结构和力学性能进行了分析。结果表明:在1700℃保温2 h情况下,烧结助剂A与B对应的样品中α-Si3N4相全部转化为β-Si3N4;添加5wt%SiC,烧结助剂A对应样品的相对密度达到最大值94.8%,且抗弯强度为521.8 MPa,相对于不添加SiC样品的抗弯强度(338.7 MPa)提高了约54.1%。SiC能有效改善氮化硅基陶瓷力学性能,且Si3N4/SiC复相陶瓷断裂以沿晶断裂方式为主。

Al_(2)O_(3)对Si_(3)N_(4)结合SiC材料抗氧化和抗碱侵蚀性的影响

研究了添加 0～ 8%Al2 O3对烧成Si3N4结合SiC耐火材料的显微结构、抗氧化和抗碱侵蚀能力的影响。借助XRD、SEM及光学显微镜观察发现 :添加Al2 O3通过氮化反应烧结使得材料基质中的Si3N4由纤维状Si3N4向柱状Sialon相转化 ,显微结构更加致密。 4# 试样中的Al2 O3加入量对提高Si3N4结合SiC耐火材料的抗氧化和抗碱侵蚀性的作用已极其明显。

燃烧合成理论基础和合成SiC/Si_3N_4复相原料进展

综述了燃烧合成法的热力学和动力学理论基础,并介绍了计算机模拟燃烧合成过程的研究进展。随着高性能SiC/Si3N4纳米陶瓷的发展,采用燃烧合成方法廉价制备SiC/Si3N4原料粉体将成为研究热点,机械活化法、化学激励法、气相法、低温合成法、复合法和计算机模拟等技术将加速高性能SiC/Si3N4原料粉体商业化开发进程。

B_4C加入量对Si_3N_4结合SiC材料抗氧化性的影响

为提高Si_3N_4结合SiC材料的高温抗氧化性,在黑碳化硅(粒度1.43~0.5和≤0.5 mm的颗粒料及粒度≤0.064 mm细粉)、硅粉(粒度≤0.043 mm)的基础配料中引入不同含量的B4C,以木质素磺酸钙为结合剂,经混练、成型、烘干后,在N2气氛下1 450℃保温10 h热处理,制备了Si_3N_4结合SiC材料。研究了900℃水蒸气气氛下,B_4C加入量(质量分数分别为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%)对Si_3N_4结合Si C材料抗氧化性的影响。结果表明:Si_3N_4结合SiC材料中加入B_4C后,材料的体积密度增大,显气孔率减小,质量变化率改变,体积变化率减小,材料的抗氧化性得到显著提高,最合适的B_4C加入量(w)为0.4%。

氮化烧结制备Si_3N_4-SiC复相陶瓷

以酚醛树脂作为结合剂,以冷等静压方法成型制备氮化烧结Si3N4-SiC复相陶瓷,研究了结合剂对坯体强度和生成材料物相组成的影响。坯体强度随酚醛树脂含量增加而提高,最高强度达到23MPa,实现坯体可直接机械加工。经过氮化烧结,生成材料物相中含有SiC,含量达到7.1%～15.7%,并观察到细小的等轴颗粒αSi3N4、棒状晶粒βSi3N4以及少量针状和晶须状Si3N4。SiC颗粒与Si3N4结合在一起,被Si3N4包裹。Si3N4-SiC复相材料的生成机理:300～600℃,酚醛树脂发生裂解,形成单质C,残碳率为50%;1000～1100℃,C开始与Si发生固相反应,形成SiC;1100℃后,Si开始发生氮化反应,生成Si3N4。

原位无压烧结制备Si2N2O-Si3N4复相陶瓷

以Y2O3和Al2O3陶瓷粉体作为烧结助剂,原位无压液相烧结制备Si3N4-Si2N2O复相陶瓷,Si2N2O相通过SiO2+Si3N42Si2N2O反应生成。生坯采用注凝成型制备,然后在1780℃保温2h烧结,烧结体基本由板条状的Si2N2O及长柱状的-βSi3N4晶粒构成。Si2N2O陶瓷相对于Si3N4陶瓷而言,具有优异的抗氧化性能,低的弹性模量,以及低的热膨胀系数,因此,Si2N2O-Si3N4复相陶瓷结合了两者的优异性能,并大大提高了材料的热冲击性,材料的热冲击温差即使达到1200℃,其残余强度基本上没有变化。

原位反应结合多孔Si3N4陶瓷的制备及其介电性能

以氮化硅(Si_3N_4)和氧化铝(Al_2O_3)为起始原料,利用原位反应结合技术制备Si_3N_4多孔陶瓷.研究烧结温度和保温时间对Si_3N_4多孔陶瓷的微观结构、力学性能以及介电性能的影响.结果表明:烧结温度在1350℃以下,保温时间<4h时,随着烧结温度的升高,保温时间的延长,样品的强度和介电常数增大;但条件超出这个范围,结果刚好相反;物相分析表明多孔陶瓷主要由Si_3N_4和Al_2O_3以及Si_3N_4氧化生成的SiO_2(方石英)组成.所制备的多孔Si_3N_4陶瓷的气孔率范围为25.34%～48.86%,抗弯强度为34.77～127.85MPa,介电常数为3.0～4.6,介电损耗约为0.002.

Si_3N_4复相陶瓷半固态连接的接头组织和界面反应

根据复合材料的强化原理 ,用Ag Cu Ti钎料和TiN颗粒作为复合连接材料在半固态下连接Si3N4复相陶瓷以提高接头强度 ,研究了接头的组织和界面反应。结果表明 ,接头由母材 反应层 含微量Ti的Ag Cu +TiN 反应层 母材组成 ,反应层由含Ti、Si、N三种元素的一些化合物组成 ;TiN颗粒在Ag Cu基体中的分布总体均匀 ,两者之间的界面清晰、结合致密 :当TiN的加入量较小时 ,对连接材料与母材的界面反应没有明显影响。初步的剪切试验结果表明 ,采用Ag Cu Ti加TiN颗粒作为复合连接材料连接Si3N4

Si_3N_4/TiN复相陶瓷常温导电性研究

分析了以高硅铁尾矿合成的Si3N4粉和高钛渣为原料常压烧结制备的Si3N4/TiN复相陶瓷的常温导电性,并对其进行放电加工。研究结果表明,初始原料中20%(质量分数)左右的TiO2加入量是决定材料中TiN能否形成导电网络的最低TiO2加入量,此时材料的电阻率为4.25×10-2Ω.cm。烧结温度升高,材料的电阻率略有降低。随放电加工速度的增加,加工表面的粗糙度明显增加。

燃烧合成Si_3N_4和SiC复相材料的相稳定性热力学分析

为了提高Si3N4产率和降低成本,采用硅粉、氮气作为原料,碳、二氧化硅作为稀释剂,卤化铵作为化学激励剂,通过机械活化和化学激励法燃烧合成制备Si3N4和SiC复相原料。热力学分析表明:特定的工艺条件下氧化硅和碳替代氮化硅作为稀释剂,当氧化硅和碳含量约30wt%时,能得到氮化硅和碳化硅复合陶瓷粉体。以碳的活度为1计(ac=1),燃烧合成时两者稳定共存的温度为1647K;同时,增大氮气压力和降低氧分压是硅粉完全氮化的条件,而不宜提高合成温度。当满足特定工艺条件时(原料加入量为9%Si3N4及15%淀粉和SiO2的混合物、氮气压力大于3MPa、5小时磨研),燃烧合成产物的主晶相为Si3N4、SiC和Si2N2O,而无游离硅,此产物是烧结Si3N4和SiC复合陶瓷或制备Si3N4结合SiC耐高温材料的理想原料。

Y_2O_3对反应烧结Si_3N_4/SiC复相陶瓷组织和性能的影响

以低压铸造用升液管为研究目的,以Y2O3-Al2O3-Fe2O3为复合烧结助剂,磨切单晶硅废料Si粉和SiC为主料,反应烧结法制备Si3N4/SiC复相陶瓷。研究了Y2O3含量对复合材料结构和力学性能的影响,采用XRD、SEM对复合材料的相组成、微观形貌进行分析。结果表明,反应烧结后试样生成Si3N4结合SiC晶粒为主相的烧结体,并含有少量Sialon晶须及未反应的Si。Y2O3含量对复相陶瓷力学性能影响很大,在分析稀土Y2O3作用机理的基础上,得到2.5%Y2O3优化试样的力学性能优良,相对密度达到88%,维氏硬度达到1.1 GPa,常温抗弯强度50 MPa。

利用硅切割废砂浆制备Si3N4结合SiC耐火材料

以光伏企业线切割硅产生的废砂浆(其w(SiC)=25%,w(Si)=60%)为主要原料,加入不同比例的SiC粉(废砂浆与SiC粉的质量比为65∶35～35∶65),加无水乙醇球磨、干燥、加PVA造粒后,以10 MPa压力(保压1 min)成型为55 mm×5 mm×5 mm的坯体,在1 450℃氮气气氛中烧结制备了Si3N4结合SiC耐火材料,然后检测其常温抗折强度、显气孔率、体积密度,并进行XRD分析。结果表明:烧后试样的常温抗折强度较高,最高达50.2 MPa,但致密度较低,显气孔率在31.20%～35.64%之间;烧后试样中只有SiC和Si3N4两相,单质Si已完全氮化生成了Si3N4。

原位制备细晶Si_3N_4-Si_2N_2O复相陶瓷

以Y2O3和Al2O3纳米陶瓷粉体作为烧结助剂,液相烧结非晶纳米Si3N4陶瓷粉体,制备Si3N4-Si2N2O复相陶瓷。Si2N2O相通过原位反应2Si3N4(s)+1.5O2(g)=3Si2N2O(s)+N2(g)生成。1600℃烧结,烧结体保温30min,Si2N2O体积分数达到52%,基本由细小均匀的球形晶粒构成,平均粒径尺寸210nm,相变过程中,个别颗粒异常长大,长径比达到1.5。保温时间对孔隙、密度和粒径产生重要影响:随着保温时间的延长,孔隙逐渐收缩减小,烧结体的致密度逐渐提高,晶粒逐渐长大,保温60min,孔隙几乎完全闭合,相对密度达到99.1%,平均粒径280nm。当保温时间达到90min时,相对密度增加并不明显,但平均粒径长大到360nm。

晶相组成对Si_3N_4陶瓷介电性能的影响

以MgO-Al2O3-SiO2(MAS)体系作为烧结助剂,采用无压烧结,通过控制烧结工艺,制备出具有不同晶相组成的Si3N4陶瓷。研究了晶相组成对氮化硅陶瓷微波介电性能的影响。借助XRD、SEM对Si3N4陶瓷微观组织进行了研究。结果表明:在烧结过程中,有中间相Si2N2O产生;经1850℃、0.5h烧结,α-Si3N4全部转变为具有较大长径比,显微结构均匀的长柱状β-Si3N4晶粒;Al3+和O2-能够进入β-Si3N4晶体内形成β′-Si6-xAlxOxN8-x固溶体,使晶体内部产生较大的空隙或晶格畸变,在外电场作用下,易于产生离子位移极化,导致介电常数升高;同时,随着烧结温度的提高,存在于晶界的玻璃相含量增加,试样的介电常数随之升高。

Si_3N_4-TiC纳米复相陶瓷的组织与力学性能研究

采用热压烧结方法制备了Si3N4-TiC纳米复相陶瓷,研究了其组织与力学性能。SEM照片表明,Si3N4-TiC纳米复相陶瓷的显微组织由球形晶粒构成。在液相烧结过程中,TiC与Si3N4发生反应,生成了TiC0.7N0.3。力学性能测试结果表明,添加适量的TiC颗粒可以提高Si3N4陶瓷的抗弯强度和断裂韧性;Si3N4陶瓷的硬度随TiC含量的增加而增大。

Si_3N_4陶瓷二次部分瞬间液相连接模型

在Si3N4陶瓷PTLP连接的基础上,提出了Si3N4陶瓷二次PTLP连接中间层设计的一般规律为Ti Cu X(X为Ni,Pt,Au,Pd等),X与Cu在固相和液相均是完全互溶的;分析了陶瓷二次PTLP连接过程并建立了连接模型,阐述了利用该模型选择连接参数的方法。

添加石墨烯或碳纳米管对Si_3N_4结合SiC陶瓷强度的影响

以Si3N4结合SiC材料为基础,通过添加不同形态的碳纳米材料来改善其力学性能。采用Si和SiC为主要原料,添加不同含量(1wt%和3wt%)的石墨烯(GPL)和碳纳米管(CNT),氮气气氛下,在1600℃烧结制备Si3N4结合SiC复合陶瓷材料。对试样的气孔率、体积密度和耐压强度等基本烧结性能进行了测试。借助XRD和SEM等方法对试样的物相组成和显微结构进行了表征。实验结果表明,当石墨烯含量为1wt%时,Si3N4/SiC的耐压强度为207 MPa,试样的体积密度及显气孔率较好。当碳纳米管含量为3wt%时,力学性能增强,耐压强度达到了247MPa。

烧结助剂La_2O_3含量对热压烧结制备Si_3N_4-AlN复相陶瓷性能的影响

以Si3N4和AlN为原料,La2O3为烧结助剂,在氮气气氛和1 800℃、30MPa压力下热压烧结保温1 h制备出了Si3N4-AlN复相陶瓷,研究了La2O3含量对复相陶瓷烧结性能、抗弯强度、热导率及介电损耗的影响。结果表明:随La2O3含量的增加,复相陶瓷的孔隙率先减小然后趋于稳定,Si3N4由α相向β相逐渐转变完全,且含镧黄长石晶界相逐渐增多;随La2O3含量的增加,复相陶瓷的抗弯强度逐渐减小,介电损耗先减小后增大,热导率则先增大后减小;在La2O3含量为4%时,抗弯强度达到最大值为574 MPa;在La2O3含量为6%时,介电损耗最低,同时热导率最大,分别为4.55×10-3和11.7W.m-1.K-1。