氮化硅/碳化硅陶瓷复合材料研究

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本文采用硅粉、碳粉和氮气为原料,以氮化硅作为稀释剂,氯化铵为添加剂,采用自蔓燃高温合成的方法制备氮化硅/碳化硅复合粉体。通过调整硅粉和碳粉的添加量能获得不同成分配比的复合粉体。将自蔓燃合成的复合粉体加入一定量的烧结助剂(氧化铝和氧化钇)后进行粉体处理,并使用液压机模压成型,然后在氮气气氛下,使用气压炉进行烧结,以获得致密的氮化硅/碳化硅陶瓷复合材料。通过X射线物相分析、扫描电镜等手段分析了复合粉体的物相组成和微观特性。测试了复合材料的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性,讨论了复相陶瓷的增强增韧机理。复合粉体制备研究结果表明:硅粉和碳粉在氮气条件下反应完全,合成粉体的主要成分为α-Si3N4、β-Si3N4和SiC。氮化硅主要由硅粉铵盐分解反应和硅粉氮化两种方式生成;碳化硅主要由氮化硅和碳反应生成,也有一部分由硅粉碳化生成。加入碳粉和硅粉的质量分数越高,反应期间的燃烧温度越高,燃烧速度越快,合成粉体的平均粒度越大,且粉体中的β-Si3N4和SiC含量越高。在反应过程中,稀释剂氮化硅中有一部分α相转化为β相;添加剂氯化铵在高温时分解,促进了反应的进行和α-Si3N4的生成。由C和Si3N4的存在,SiC生成反应可以避免超高温的硅粉直接碳化机制,可以采用反应温度稍低的氮化硅碳化机制。复相陶瓷制备研究结果表明:在一定的氮气压力、合适的烧结助剂配比以及合适的烧结温度下,采用自蔓燃复合粉体制备的氮化硅/碳化硅陶瓷的断裂韧性有一定提高,硬度、抗弯强度变化不大。主要增韧机理为SiC颗粒增韧和β-Si3N4增韧;主要增强方式应为SiC颗粒增强。碳化硅的本身的烧结温度很高,如果能进一步提高烧结温度,有希望提高复相陶瓷的硬度和抗弯强度。
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