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氮化硅(Si3N4)作为一种高温结构陶瓷,具有高强度、高硬度、良好的抗热震、抗氧化、耐腐蚀等优良性能,被广泛应用于机械、石油、化工、航空航天等行业。本研究以α—Si3N4、β—Si3N4、γ—Si3N4为原料,选用Y2O3、 La2O3、 Al2O3为烧结助剂,采用超高压烧结技术制备氮化硅陶瓷。通过相对密度测试、维氏硬度测量、X射线衍射(XRD)及扫描电镜观察(SEM)对氮化硅的高压稳定性、烧结过程、显微结构进行了研究。
研究结果表明,α—Si3N4、γ—Si3N4为高温高压不稳定相,当烧结温度、压力较高时发生向β—Si3N4的相转变。在5.2—5.7GPa高压下,α—Si3N4相转变开始于1100—1200℃,相转变程度随温度、压力的升高而增大,在5.7GPa、1300℃时基本完成。γ—Si3N4在5.7GPa向α—Si3N4的转变温度低于1000℃,结束1100℃左右,且随着温度的升高,生成的α—Si3N4再发生向β—Si3N4的转变,相转变顺序为γ→α→β。
烧结试样性能受烧结温度、压力、烧结助剂及原料影响。以α—Si3N4为原料的烧结试样性能优于以β—Si3N4为原料的烧结试样,其相对密度、维氏硬度随烧结温度、压力的升高而提高,最高为5.7GPa、1500℃时的99.8%、23.3 GPa,其显微结构均匀,断裂面有明显的晶粒拔出现象。烧结助剂参与了烧结过程,最终可能以玻璃相留在氮化硅陶瓷中。烧结工艺相同时,以α—Si3N4为原料的烧结试样性能随烧结助剂种类及数量的不同而不同,添加不同烧结助剂烧结试样的性能优异顺序为Al2O3—Y2O3体系,Al2O3体系,Y2O3体系。
γ—Si3N4的存在降低了烧结温度,减小了晶粒尺寸,提高了氮化硅陶瓷的显微硬度。经5.7GPa、1000℃超高压烧结后试样的相组成为25.6%α—Si3N4、52.7%β—Si3N4、21.7%γ—Si3N4,维氏硬度为27.9GPa,大大超过了α—Si3N4、β—Si3N4陶瓷的显微硬度。