稀土添加劑的類型對(duì)α-sialon陶瓷組織與性能的影響.pdf

1、本文采用兩步熱壓燒結(jié)法制備了不同稀土單一摻雜以及復(fù)合摻雜的α-sialon陶瓷。系統(tǒng)研究了α-sialon陶瓷的微觀組織和力學(xué)性能的關(guān)系，揭示了長(zhǎng)棒狀α-sialon晶粒的形核和長(zhǎng)大方式及自增韌機(jī)制。通過(guò)氧化試驗(yàn)，分析了稀土氧化物類型和含量對(duì)材料氧化性能的影響并探討了氧化機(jī)理。
　　研究發(fā)現(xiàn)，小尺寸Yb3+、Y3+和Dy3+穩(wěn)定的α-sialon陶瓷只有單一的α-sialon相，而大尺寸稀土體系還含有少量晶間相M'(R2Si3-x

2、AlxO3+xN4-x)、甚至β-sialon和21R-AlN多型體。隨著稀土離子尺寸增大，陶瓷中長(zhǎng)棒狀晶粒增多，長(zhǎng)徑比增大；斷裂韌性升高，硬度略有下降。
　　選用高熔點(diǎn)Sc2O3為穩(wěn)定劑制備的sialon陶瓷主要由β-sialon相組成，并含有少量12H-AlN多型體。12H'吸收大量Sc進(jìn)入到它的結(jié)構(gòu)中，為減少晶間相提供了一條有效途徑。Sc-sialon陶瓷硬度較低，只有16GPa；等軸晶粒形貌使得材料的強(qiáng)度和韌性偏低，只有5

3、41MPa和3.8MPa?m1/2。但以高熔點(diǎn)Lu2O3為穩(wěn)定劑的α-sialon陶瓷則完全由α-sialon相構(gòu)成，兼有少量晶間相J'(Lu4Si2-xAlxO7+xN2-x)，其硬度很高，都在21GPa以上。隨著Lu2O3含量增加，晶間相增多，長(zhǎng)棒狀晶粒數(shù)目增多，長(zhǎng)徑比增大，強(qiáng)度和韌性升高，硬度略有下降；當(dāng)過(guò)量Lu2O3含量超過(guò)4wt.％時(shí)，晶粒徑向尺寸明顯變小，長(zhǎng)度略有降低；過(guò)量Lu2O3含量為4wt.%時(shí)，材料具有最高的韌性和強(qiáng)

4、度，分別為4.7MPa?m1/2和620.2MPa。熱處理使得Lu-α-sialon晶粒各向異性長(zhǎng)大明顯，晶間相分布趨向于三角晶界處，其固溶度增大，而α-sialon的固溶度減小，韌性和強(qiáng)度進(jìn)一步升高。
　　首次將兩種小尺寸稀土離子Sc3+和Lu3+復(fù)合摻雜制備α-sialon陶瓷，成功使得不能單獨(dú)進(jìn)入α-sialon結(jié)構(gòu)的Sc3+穩(wěn)定存在于α-sialon中。材料主要由α-sialon相構(gòu)成，兼有少量β-sialon、J'和含S

5、c的12H'相。材料具有高硬度、高韌性和抗彎強(qiáng)度，分別為20.4GPa、5.2MPa?m1/2和652MPa。
　　HREM分析表明，單一摻雜的α-sialon陶瓷中，α-sialon和晶間相之間沒(méi)有非晶層，但在α-sialon相之間則存在厚度1nm左右的非晶層，即使熱處理也不能完全消除；但在復(fù)合摻雜的ScLu-α-sialon中，α-sialon相之間以及和β-sialon相之間的界面都不存在非晶層。
　　(S)TEM分析

6、表明，不同稀土體系α-sialon晶粒形核長(zhǎng)大機(jī)制均是以α-Si3N4作為優(yōu)先形核位置外延生長(zhǎng)，且初始析出的α-sialon較之后沉淀析出的固溶度高，core、shell之間點(diǎn)陣連續(xù)，晶體結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)取向相同，由于成份及晶格常數(shù)的差異，界面存在錯(cuò)配位錯(cuò)及應(yīng)變引起的襯度變化。棱柱面界面反應(yīng)控制生長(zhǎng)和基面(001)的擴(kuò)散控制生長(zhǎng)促使α-sialon晶粒各向異性長(zhǎng)大并形成長(zhǎng)棒狀晶粒。
　　長(zhǎng)棒狀α-sialon晶粒的形成成功實(shí)現(xiàn)了α-s

7、ialon陶瓷的自增韌機(jī)制。通過(guò)長(zhǎng)棒狀晶粒的解離和拔出以及裂紋沿長(zhǎng)棒狀晶粒的偏轉(zhuǎn)和橋接大大提高了陶瓷的斷裂韌性，同時(shí)長(zhǎng)棒狀晶粒也促進(jìn)了材料的強(qiáng)化。
　　Lu-和ScLu-α-sialon陶瓷都具有很高的高溫強(qiáng)度，1400oC下仍達(dá)550MPa以上，且抗氧化性能好，氧化層致密，1300oC下其氧化速率常數(shù)K≈2.5×10-6-4.2×10-6mg2/(cm4?s)，較Y-α-sialon陶瓷低一個(gè)數(shù)量級(jí)。氧化反應(yīng)及元素?cái)U(kuò)散共同作用使