低温热压制备高硬度、高韧性Si3N4–SiCw–ZrB2陶瓷

通常低温热压烧结的Si₃N₄陶瓷具有较高的硬度和较低的断裂韧性;而高温热压烧结的Si₃N₄陶瓷具有较低的硬度和较高的断裂韧性。为了获得高硬度、高韧性Si₃N₄陶瓷,添加20%SiC_w（SiC晶须,体积分数）和2.5%ZrB2,在1 500℃低温热压制备了Si₃N₄基陶瓷,开展其相组成、致密度、显微结构和力学性能研究,并与1 800℃高温热压烧结Si₃N₄进行了对比研究。结果表明：SiC_w的引入阻碍了Si₃N₄低温致密化,致密度从97.9%降低到92.9%,Vickers硬度从20.5 GPa降低到16.4 GPa,断裂韧性从2.9 MPa·m^1/2增加到3.4 MPa·m^1/2。同步引入SiC_w和ZrB₂     

钨添加对Si3N4陶瓷力学性能的影响及强韧化机理研究

为了增韧Si₃N₄基陶瓷材料,以钨(W)作为第二相材料,Y₂O₃-Al₂O₃作为烧结助剂,采用气压烧结法制备了W/Si₃N₄复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si₃N₄复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明:在W含量小于5%(质量分数)时,样品致密度均达97%以上;在W含量为5%(质量分数)时,获得的W/Si₃N₄复合陶瓷材料综合性能最佳,弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00) MPa、(16.42±0.22) GPa和(8.04±0.16) MPa·m^1/2,相比于未添加金属W的Si₃N₄陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%;通过分析W/Si₃N₄复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构,发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制,消耗裂纹扩展能量,从而改善Si₃N₄陶瓷的断裂韧性。     

Y2O3对高热导率Si3N4陶瓷显微结构和性能的影响

以氧含量相对较高的“平价”Si₃N₄粉体(氧含量1.85%(质量分数))为原料,Y₂O₃-MgO作为烧结助剂,制备低成本高热导率Si₃N₄陶瓷,研究Y₂O₃含量对Si₃N₄陶瓷致密化、显微结构、力学性能及热导率的影响。结果表明,适当增加Y₂O₃的加入量不仅可以促进Si₃N₄陶瓷的致密化和显微结构的细化,还有助于晶格氧含量的降低和热导率的提升。Y₂O₃含量为7%(质量分数)的样品在1 900 ℃烧结后的综合性能最佳,其相对密度、抗弯强度、断裂韧性和热导率分别为99.5%、(726±46) MPa、(6.9±0.2) MPa·m^1/2和95 W·m^-1·K^-1。     

烧结温度对氮化硅陶瓷球显微结构和力学性能的影响

以α-Si₃N₄粉为原料,纳米级Y₂O₃和Al₂O₃为烧结助剂,采用气压烧结工艺制备氮化硅陶瓷球,研究了烧结温度对陶瓷球显微结构及力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,陶瓷球的维氏硬度和压碎强度先提高后降低,断裂韧性不断提高。烧结温度为1780 ℃的陶瓷球综合力学性能最佳,其相对密度达到了99%,维氏硬度、断裂韧性和压碎强度分别为1 530 HV、7 MPa·m^1/2、296 MPa。     

不同复合烧结助剂对气压烧结Si3N4陶瓷性能的影响

以Y₂O₃/Al₂O₃、Al₂O₃/MgO和Y₂O₃/Al₂O₃/MgO等为复合烧结助剂,研究烧结助剂类别及烧结温度（1 750、1 800、1 850℃）对气压烧结Si₃N₄陶瓷致密化、显微结构以及力学性能的影响。结果表明：以Y₂O₃/Al₂O₃为烧结助剂所制备样品的抗折强度、硬度和断裂韧性优于其他两种复合助剂制备试样的;Y₂O₃/Al₂O₃复合助剂有利于显微结构中高长径比β-Si₃N₄晶粒的形成。当烧结温度为1 800℃时,以Y₂O₃/Al₂...     

三元复合烧结助剂Er2O3-Mg2Si-Yb2O3对氮化硅陶瓷性能的影响

以Er₂O₃-Mg₂Si-Yb₂O₃为三元复合烧结助剂,制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷,研究了Er₂O₃-Mg₂Si-Yb₂O₃体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明,当添加5%(质量分数,下同)Er₂O₃+2%Mg₂Si+4%Yb₂O₃烧结助剂时,烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳,此时氮化硅陶瓷具有最佳性能:抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m^1/2,热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中,只添加5%Er₂O₃+2%Mg₂Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高,不能使氮化硅陶瓷完成致密化;此外,当添加的Yb₂O₃含量超过4%时,烧结助剂产生大量的晶界相,降低了氮化硅陶瓷的性能。     

仿木年轮结构Si3N4/Ni复合材料微观组织及物理力学性能

工程陶瓷已广泛应用于工业领域,而其较高的脆性一直是推广受限的主要因素之一。基于此,本研究旨在协同提高工程结构陶瓷的强度和韧性。以微米级Si₃N₄粉体和高纯度镍丝为原料,借鉴仿生制备思路,利用热压烧结的方式制备仿木质年轮状Si₃N₄/Ni复合材料,研究了Si₃N₄/Ni复合材料中Si₃N₄与Ni丝的界面结合状态,测试了复合材料的物理力学性能。结果表明,复合材料中Si₃N₄基体与Ni之间界面结合良好,仿木质年轮的材料结构有助于陶瓷材料的强韧化,复合材料的弯曲强度达（989±87） MPa,断裂韧性达（8.12±0.8） MPa·m^1/2,较单相Si₃N₄陶瓷的物理力学性能有较好的提升。     

无压烧结氮化硅陶瓷的物理性能研究

以α-Si₃N₄粉末为原料,Y₂O₃和MgAl₂O₄体系为烧结助剂,采用无压烧结方式,研究了烧结温度、保温时间、烧结助剂含量以及各组分配比对氮化硅致密化及力学性能的影响。结果表明:以Y₂O₃和MgAl₂O₄为烧结助剂体系,氮化硅陶瓷在烧结温度为1 600 ℃,保温时间为4 h,烧结助剂含量为12.5%(质量分数),Y₂O₃和MgAl₂O₄质量比为1∶1时,综合性能最好;氮化硅陶瓷显气孔率为0.21%,相对密度为98.10%,抗弯强度为598 MPa,维氏硬度为15.55 GPa。     

高熵硼化物含量对Si3N4陶瓷显微结构与性能的影响

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷具有广泛的工业应用潜力,但其硬度和断裂韧性往往难以兼顾,这会限制到 Si₃N₄陶瓷的应用。为了获得兼具高硬度和高韧性的 Si₃N₄陶瓷,以高熵硼化物(Hf_0.2Zr_0.2Ta_0.2Cr_0.2Ti_0.2)B₂为添加剂,使用放电等离子烧结法在1 600 ℃制备了 Si₃N₄陶瓷材料。研究了(Hf_0.2Zr_0.2Ta_0.2Cr_0.2Ti_0.2)B₂对 Si₃N₄陶瓷的相组合、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明：与未添加(Hf_0.2Zr_0.2...     

羟基化结合硅烷偶联剂改性对光固化Si3N4膏料性能的影响

采用羟基化结合硅烷偶联剂(KH560)对氮化硅(Si₃N₄)粉体进行表面功能化改性,配制出高固含量、高固化深度的Si₃N₄膏料,并基于立体光固化(SL)工艺制备了高强度的Si₃N₄复杂结构件。结果表明:Si₃N₄表面的KH560改善了粉体与树脂的相容性,降低了Si₃N₄膏料的粘度;同时,KH560的环氧基团(—CH(O)CH₂)与环氧树脂(EA)通过化学键等方式相结合,形成了EA核壳结构,降低了树脂与陶瓷颗粒之间的折射率差,从而提高了Si₃N₄膏料的固化深度。表面羟基化处理后Si₃N₄表面吸附了更多的KH560,从而进一步降低了Si₃N₄膏料的粘度,提高了Si₃N₄膏料的固化深度。最终,用羟基化和KH560改性后的Si₃N₄粉体配制出的Si₃N₄膏料固含量达到50%(体积分数),固化深度达到64 μm。烧结后Si₃N₄试样致密度为83%,断裂韧性为(4.38±0.45) MPa·m^1/2,抗弯强度达到(407.95±10.50) MPa。     

Effect of β-Si3N4 seed particles on the property of sintered reaction-bonded silicon nitride

The effect of seeding on the microstructural development and mechanical properties of sintered reaction-bonded silicon nitride was investigated by the use of β-Si₃N₄ particles. Seeding of an appropriate amount of the β-Si₃N₄ particles gave rise to the promotion of density and the resulting increase in fracture strength and hardness. The fracture toughness was also increased due to the development of elongated grains. On the other hand, addition of a large amount of seed particles showed lower strength and fracture toughness owing to the coalescence of large elongated grains. By seeding of 2 wt.% β-Si₃N₄ particles on Si powders of 7 μm, high fracture strength of 1100 MPa and fracture toughness of 7.2 MPa·m^1/2 were obtained in sintered reaction-bonded silicon nitride ceramics.     

Polysilazane derived micro/nano Si3N4/SiC composites

The pyrolised polysilazanes poly(hydridomethyl)silazane NCP 200 and poly(urea)silazane CERASET derived Si–C–N amorphous powders were used for preparation of micro/nano Si₃N₄/SiC composites by hot pressing. Y₂O₃–Al₂O₃ and Y₂O₃–Yb₂O₃ were used, as sintering aids. The resulting ceramic composites of all compositions were dense and polycrystalline with fine microstructure of average grain size <1 μm of both Si₃N₄ and SiC phases. The fine SiC nano-inclusions were identified within the Si₃N₄ micrograins. Phase composition of both composites consist of , β modifications of Si₃N₄ and SiC. High weight loss was observed during the hot pressing cycle, 12 and 19 wt.% for NCP 200 and CERASET precursors, respectively. The fracture toughness of both nanocomposites (NCP 2000 and CERASET derived) was not different. Indentation method measured values are from 5 to 6 MPa m^1/2, with respect to the sintering additive system. Fracture toughness is slightly sensitive to the SiC content of the nanocomposite. Hardness increases with the content of SiC in the nanocomposite. The highest hardness was achieved for pyrolysed CERASET precursor with 2 wt.% Y₂O₃ and 6 wt.% Yb₂O₃, HV 23 GPa. This is a consequence of the highest SiC content as well as the chemical composition of additives.     

La2O3对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化及其性能的影响

镁铝尖晶石透明陶瓷兼具了良好的光学和力学性能,在军、民两用领域有着广泛的实际和潜在应用前景。由于其致密化速率低,在烧结过程中往往需要引入烧结助剂。稀土倍半氧化物熔点高,高温不易挥发,近些年被证实可以促进镁铝尖晶石陶瓷的致密化,但其促烧机理尚不明确。本文以高纯商业化镁铝尖晶石粉体为原料,La₂O₃为烧结助剂,采用无压预烧结合热等静压烧结,制备镁铝尖晶石透明陶瓷,通过XRD、SEM、紫外-可见分光光度计、万能试验机等测试手段对其致密化过程及其力学和光学性能进行表征和分析,研究了La₂O₃对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化过程的影响规律和作用机制。结果表明,La₂O₃通过与尖晶石反应或固溶产生晶格畸变,增加缺陷浓度,从而起到促进致密化的作用,一定程度上降低了预烧温度和热等静压温度。对于190 MPa、1 500 ℃热等静压烧结3 h的样品,La₂O₃掺杂可以显著提高紫外区域的透过率;同时,La偏析到晶粒表面,抑制了尖晶石晶粒的生长,从而提高了样品的力学强度。掺杂0.05%(质量分数)La₂O₃样品较未掺的样品,400 nm处透过率从63%提高到81%,弯曲强度从263.7 MPa提高至319.0 MPa,断裂韧性从1.69 MPa·m^1/2提高至1.82 MPa·m^1/2。     

矾土基Fe3Al/Al2O3复相陶瓷的制备工艺的研究

利用机械合金法制备了Fe2Al金属间化合物,并以此为增强相,以高铝矾土陶瓷为基体,采用弱还原气氛烧结,在1500℃制得Fe3Al/Al2O3复相陶瓷,研究分析了其微观结构及力学性能.结果表明,当加入质量分数4.5%的Fe3Al金属间化合物时,断裂韧性、体积密度和vickers硬度分别达到7.23MPa.m1/2、3.9...     

Microstructure and mechanical properties of gas pressure sintered Al2O3/TiCN composite

Al₂O₃–30 wt.%TiCN composites have been fabricated successfully by a two-stage gas pressure sintering schedule. The gas pressure sintered Al₂O₃–30 wt.%TiCN composite achieved a relative density of 99.5%, a bending strength of 772 MPa, a hardness of 19.6 GPa, and a fracture toughness of 5.82 MPa m^1/2. The fabrication procedure involves solid state sintering of two phases without solubility to prepare Al₂O₃–TiCN composite. Little grain growth occurred for TiCN during sintering while Al₂O₃ grains grew about three times to an average size of 3–5 μm. The interface microstress arising during cooling from the processing temperature because of the thermal and/or mechanical properties mismatch between the Al₂O₃ and TiCN phase is about 50 MPa. Such a compressive microstress is not high enough to cause grain boundary cracking that may weaken the composite but it can introduce dislocations within grains, which is very good to enhance the composite properties.