Li+、Mg2+和Ca2+摻雜α-SiAlON陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)控制與光學(xué)性能研究.pdf

1、α-sialon(通式為MxSi12-m-nAlm+nOnN16-n)陶瓷具有很高的硬度,良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及抗熱震性等特點(diǎn),長(zhǎng)期被作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷來研究與使用。近年來α-sialon陶瓷透光性的研究使其有望作為紅外透光材料在高溫、強(qiáng)腐蝕以及劇冷劇熱等苛刻環(huán)境下使用。目前透明或半透明的α-sialon陶瓷均采用稀土離子穩(wěn)定,但在大多數(shù)情況下,稀土離子穩(wěn)定的α-sialon陶瓷在紅外波段存在選擇性吸收從而影響光學(xué)透過性能。本論文分別采用L

2、i+,Mg2+,Ca2+三種堿金屬或堿土金屬離子作為穩(wěn)定離子,通過組分設(shè)計(jì)、燒結(jié)助劑的添加等控制高溫液相量,在放電等離子體快速燒結(jié)或熱壓燒結(jié)條件下制備出了沒有選擇性吸收且顯微結(jié)構(gòu)可控的α-sialon半透明陶瓷。
　　 首先利用放電等離子體燒結(jié)(SPS)在1750℃下快速制備Li-α-sialon陶瓷。主要研究了低氧組分m=0.4～1.2,n=1.0以及不同的升溫速率對(duì)試樣的致密化、相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:

3、升溫速率不低于100℃／min時(shí),Li2O的揮發(fā)能被有效抑制。除了組分m=0.4外,其它組分的試樣都已完全或接近完全致密,但隨著m的增大晶界玻璃相和柱狀晶越來越多。當(dāng)升溫速率大于200℃／min時(shí),由于富氧液相的生成導(dǎo)致動(dòng)態(tài)熟化機(jī)制被激活,從而促進(jìn)晶粒的快速異向長(zhǎng)大。但對(duì)于組分m=0.6,快速升溫會(huì)使成分偏移至α／β-sialon相區(qū),導(dǎo)致晶界殘留較多玻璃相,試樣完全失透。因此,制備半透明Li-α-sialon陶瓷的最佳條件:組分m=0

4、.6,n=1.0,升溫速率100℃／min,燒結(jié)溫度1750℃,保溫時(shí)間5min。在此條件下,得到厚度為0.5mm半透明Li-α-sialon陶瓷的最大紅外透過率為57％,斷裂韌性為3.0MPa·m1／2。此外還研究了在SPS條件下Li—α-sialon陶瓷的致密化機(jī)制。主要的致密化機(jī)制為中間相β—LiSiON熔化所造成的第二次顆粒重排,當(dāng)升溫速率超過200℃／min時(shí),中間相的生成能明顯被抑制。
　　 為了獲得同時(shí)具有良好的力

5、學(xué)與光學(xué)性能的sialon陶瓷,本文采用熱壓燒結(jié)制備Mg摻雜的sialon陶瓷,主要研究了組分的變化對(duì)試樣的致密化、相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及光學(xué)與力學(xué)性能的影響。對(duì)于組分m=2n=0.6,0.84,1.0,1.2,1.6,隨著m的增加,Mg摻雜sialon陶瓷的致密化越來越困難,當(dāng)m等于1.6時(shí),試樣已不能完全致密化。含Mg較多的試樣難致密化主要原因是在升溫過程中生成含Mg的AlN多型體吸收了大量的液相。所有的樣品除了含有Mg—α-sial

6、on主相外,均含有β-sialon或者AlN多型體。隨著m的增加,試樣中的β—sialon越來越少,AlN多型體逐漸增多。同時(shí),試樣的斷裂韌性也隨著柱狀β—sialon晶的減少由4.4MPa·m1／2下降到3.0MPa·m1／2。Mg-sialon陶瓷的紅外透光性隨著m先增大后降低,其中m=1.2最高,0.5mm厚試樣最大透過率為50％,這可歸結(jié)為高致密度和少的玻璃相。對(duì)試樣m=2n=0.84,延長(zhǎng)保溫時(shí)間至2h能有效減少玻璃相,提高透

7、過率,斷裂韌性提高至4.6MPa·m1／2對(duì)試樣m=2n=1.2,提高燒結(jié)溫度至1900℃,最大透過率達(dá)到57％,這是因?yàn)樵撛嚇右淹耆旅?幾乎沒有玻璃相,但該試樣韌性僅2.5MPa·m1／2。研究還發(fā)現(xiàn),第二晶相對(duì)試樣的紅外透光性影響不大,這主要是因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)和成分相似。
　　 針對(duì)極難致密化的Mg-sialon陶瓷,本文主要研究了不同類型的燒結(jié)助劑對(duì)材料致密化、顯微結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:采用α-sialon的稀土

8、穩(wěn)定氧化物Nd2O3不能促進(jìn)致密化；易揮發(fā)助劑MgF2和CaF2盡管能促進(jìn)致密化,但是存在試樣不均勻以及透過率低等缺點(diǎn)。而對(duì)于不固溶以及高熔點(diǎn)的La2O3,添加量超過0.25wt％后試樣就能達(dá)到完全致密。當(dāng)含量大于0.5wt％時(shí),晶粒的異向生長(zhǎng)加速。晶粒的異向生長(zhǎng)除了與液相量增多及粘度降低有關(guān)外,還受La2O3在sialon棱面上優(yōu)先沉積的影響。含0.5wt％La2O3的試樣顯示了最好的綜合性能,最大透過率達(dá)到50％,斷裂韌性4.8MP

9、a·m1／2,抗彎強(qiáng)度為664MPa。良好的紅外透光性主要是因?yàn)橹旅芏雀?、晶界玻璃相少且主要以很小的尺度聚集在三角晶界處?br>　　 相對(duì)Mg-sialon陶瓷,Ca穩(wěn)定的α-sialon陶瓷更容易在低溫下致密化,本文最后對(duì)半透明的Ca穩(wěn)定sialon陶瓷進(jìn)行了初步探索。研究了在α-sialon平面上低氧組分m=0.4、0.6、1.0、2.0,n=1.0的相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能。結(jié)果表明試樣中均含有較多的晶界玻璃相且試樣不透明