反应结合重烧结Si3N4陶瓷的快速制备与性能研究

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氮化硅(Si3N4)陶瓷具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化和良好的抗热震抗性能,是非常重要的结构陶瓷材料,在发动机零部件、轴承及刀具等方面获得了广泛的应用。目前,以低成本 Si粉为原料,将低温氮化和高温烧结相结合,利用反应结合重烧结制备Si3N4(SRBSN)陶瓷受到了较多关注,该方法可以降低原料和加工成本,获得形状复杂的部件,但是缓慢的低温Si粉氮化过程部分抵消了成本优势。因此,本论文拟通过引入氮化催化剂(ZrO2、Eu2O3和TiO2),加速Si粉氮化过程,并结合高温烧结,开展反应结合重烧结Si3N4陶瓷的快速制备研究。  首先,以Si粉为原料、以Eu2O3和ZrO2分别作为氮化催化剂、以MgO-Y2O3为烧结助剂,在无压烧结条件下进行反应结合重烧结 Si3N4陶瓷快速制备研究,并与以商业Si3N4粉为原料直接制备的Si3N4陶瓷进行性能对比。结果表明,以Eu2O3或ZrO2为催化剂,均可以实现Si粉快速氮化,经1400℃保温2h已完全氮化;经无压高温烧结后,以Eu2O3催化剂的SRBSN陶瓷未能实现致密化,然而以ZrO2为催化剂的SRBSN陶瓷实现了全致密化,致密度达到99.5%。  以Eu2O3作为氮化催化剂,通过氮化结合无压烧结未能获得致密的Si3N4陶瓷,为了改善致密化,首次提出将低温氮化和热压烧结相结合,开展以Eu2O3为催化剂的反应结合重烧结 Si3N4陶瓷快速制备研究,并分析 Eu2O3含量(5wt%、10wt%、15wt%)对陶瓷性能的影响。结果表明,以 Eu2O3为催化剂时,通过引入热压烧结来取代无压烧结,可以显著SRBSN陶瓷的致密化,致密度达到98.3%。  TiO2、ZrO2和HfO2均属于第四副族(ⅣB)氧化物,可能具有类似的性能。因此,分别选用 TiO2和 HfO2作为氮化催化剂,开展 Si粉氮化行为研究。发现 HfO2对Si粉氮化没影响,不能促进氮化,然而TiO2可以促进Si粉快速氮化。以TiO2为催化剂,结合 Al2O3-Y2O3烧结助剂,在气压烧结条件下进行反应结合重烧结 Si3N4陶瓷的快速制备研究。结果显示,以 TiO2为催化剂时,添加 Al2O3-Y2O3烧结助剂可能实现反应结合重烧结Si3N4陶瓷的致密化,致密度为98.4%。  本实验以ZrO2为催化剂制备的致密SRBSN陶瓷的硬度、断裂韧性和热导率分别为16.5 GPa、7.0 MPa·m1/2和66.5 W·m-1·K-1,与以 Si3N4粉为原料直接制备的Si3N4陶瓷性能相当。优化 Eu2O3催化剂的量为5 wt%时,反应结合重烧结制备的Si3N4陶瓷的硬度、抗弯强度、断裂韧性和热导率分别为17.8 GPa、697.0 MPa、7.3 MPa·m1/2和73.6 W·m-1·K-1。最终,以新开发的TiO2催化剂制备致密Si3N4陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为14.9 GPa、398.0 MPa、4.2MPa·m1/2。
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