Al、Y離子注入及復(fù)合技術(shù)對(duì)提高Si-,3-N-,4-抗氧化性能的研究.pdf

1、Si<,3>N<,4>陶瓷材料是常用的高溫結(jié)構(gòu)材料.然而,在高溫使用時(shí)的氧化問題,直接影響了Si<,3>N<,4>陶瓷材料的使用壽命和性能.該文首先從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和整體控速過程探討了氮化硅陶瓷材料高溫氧化理論和氧化性質(zhì),綜述Si<,3>N<,4>陶瓷材料抗氧化性能的研究現(xiàn)狀.Si<,3>N<,4>氧化主要受氧化溫度和氧分壓的影響,氧化溫度高、氧分壓大,就容易發(fā)生"活化氧化";氧化溫度低、氧分壓小,易發(fā)生"鈍化氧化".氧化控速過程為"界

2、面反應(yīng)和擴(kuò)散混合控制過程".離子束表面改性技術(shù)在材料改性方面獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),使得該項(xiàng)技術(shù)的研究越來越受到人們的重視.該文采用金屬蒸發(fā)真空電弧(MEVVA)離子源將金屬鋁、釔離子注入到Si<,3>N<,4>陶瓷材料,注入能量為40keV,劑量分別為5×10<'16>ion/cm<'2>和2×10<'17>ion/cm<'2>.在1200℃空氣中,對(duì)注入和未注入Si<,3>N<,4>試樣進(jìn)行循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn).利用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射議(X

3、RD)、電子探針顯微分析(EPMA)、X射線能譜儀(EDX)等方法對(duì)注入與未注入Si<,3>N<,4>試樣表面和截面形貌的變化,相組成的變化等進(jìn)行研究,分析了離子注入提高Si<,3>N<,4>陶瓷材料抗氧化性能的原因和機(jī)制.研究結(jié)果表明,注入與未注入Si<,3>N<,4>試樣的氧化質(zhì)量增量均服從拋物線規(guī)律,屬"鈍化氧化";注入2×10<'17>ion/cm<'2>劑量鋁和釔后的Si<,3>N<,4>試樣氧化質(zhì)量增量比未注入Si<,3>N

4、<,4>試樣氧化增量分別減少15.5%和12.4%.EPMA分析表明,鋁離子注入Si<,3>N<,4>試樣氧化后表層相組成為SiO<,2>和Al<,2>O<,3>.差熱分析表明,注入的釔離子1200℃不會(huì)與SiO<,2>發(fā)生反應(yīng),因此表層的釔離子還是以Y<,2>O<,3>的形式存在.氧化形成的Al<,2>O<,3>和Y<,2>O<,3>,能有效的阻止氧和氮的擴(kuò)散,是提高Si<,3>N<,4>抗氧化性能主要原因.該文還采用氧化-注入-高溫

5、反應(yīng)復(fù)合離子束技術(shù),對(duì)Si<,3>N<,4>試樣進(jìn)行表面處理.研究結(jié)果表明,復(fù)合處理后的Si<,3>N<,4>試樣的氧化質(zhì)量增量同樣均服從拋物線規(guī)律;其質(zhì)量增量比原始Si<,3>N<,4>試樣減少22%.XRD分析表明,在1400℃高溫下,SiO<,2>和Y<,2>O<,3>反應(yīng)最終生成Y<,2>Si<,2>O<,7>,有效的阻止氧和氮的擴(kuò)散,提高Si<,3>N<,4>抗氧化性能.該文研究了SiO<,2>和Y<,2>O<,3>的相變過程

6、,發(fā)現(xiàn)SiO<,2>和Y<,2>O<,3>在1200℃時(shí)沒有發(fā)生相變;在1300℃發(fā)生相變,生成Y<,2>SiO<,5>和Y<,2>Si<,2>O<,7>相,但其中還有SiO<,2>和Y<,2>O<,3>相;到1500℃時(shí),SiO<,2>和Y<,2>O<,3>完全轉(zhuǎn)變?yōu)閅<,2>SiO<,5>和Y<,2>Si<,2>O<,7>相.這與差熱分析的結(jié)果相一致.經(jīng)過上述的研究看出,離子注入技術(shù)能很好的提高Si<,3>N<,4>陶瓷材料的抗氧化