添加α-Si₃N₄和NH4F对燃烧合成Ybα-SiAlON的影响

【作者】 刘光华； 陈克新； 周和平； 宁晓山；

【机构】 清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室；

【摘要】 Si Al ON陶瓷在高温条件下具有良好的机械性能、抗热震性和抗氧化性,而且膨胀系数小,化学稳定性高,耐腐蚀,因此在工程上获得了广泛的应用。Si Al ON陶瓷有两种晶体结构:α-Si Al ON和β-Si Al ON。α-Si Al ON具有很高的硬度,但是由于一般形成等轴状晶粒,所以断裂韧性较低,限制了它在工程上的应用。近几年来的研究表明,采用适当的工艺方法,通过对晶体的形核和生长过程进行控制,α-Si Al ON也可以发育成长柱状晶粒,从而起到自增韧作用。在制备自增韧α-Si Al ON陶瓷的各种方法中,外部添加晶种法由于可以简单有效地控制形核获得柱状晶而备受青睐。通过加入适当添加剂进行烧结然后酸洗来制备柱状α-Si Al ON晶种的方法也已经见诸报道。燃烧合成作为一种重要的粉体制备方法,具有反应迅速,成本低廉等优点。与烧结然后酸洗的方法相比,利用燃烧合成技术制备单相α-Si Al ON晶种,能够节省能源,提高效率,无疑会为制备高韧性α-Si Al ON陶瓷提供一条简捷易行的新途径。本文利用燃烧合成技术成功制备出单相Ybα-Si Al ON粉体,研究了添加α-Si3N4和NH4F对燃烧产物相组成和微观形貌的影响。实验结果表明,适量添加α-Si₃N₄能够减少由于原料受热熔融而引起的团聚,有利于促进N2渗透和原料中Si粉的氮化,并可获得Ybα-Si Al ON柱状晶。利用α-Si Al ON作稀释剂,适当添加NH₄F也可以得到形态发育良好的Ybα-Si Al ON柱状晶。但是,值得注意的是,过量添加α-Si₃N₄和NH4F不利于合成单相α-Si Al ON粉体,因为这样会造成反应前期α-Si₃N₄过剩而部分转化为β-Si₃N₄,从而导致反应过程中β-Si Al ON的形成。更多还原