先驅(qū)體法轉(zhuǎn)化制備Si-Al-O-N-C陶瓷的工藝研究.pdf

1、本文從分子設(shè)計(jì)出發(fā)，以高含氫硅油HPSO為主要原料，分別與二乙烯三胺和乙二胺作為交聯(lián)固化劑反應(yīng)制備穩(wěn)定的Si-O-N-C溶膠凝膠，再加入活性組分 Al粉制備 Si-Al-O-N-C先驅(qū)體凝膠(使用二乙烯三胺作固化劑的稱為AHDT先驅(qū)體，用乙二胺作固化劑的稱為AHD先驅(qū)體)，然后在N2氣中裂解獲得 Si-Al-O-N-C陶瓷粉末，對(duì)該粉進(jìn)行熱壓或氣氛壓力燒結(jié)得到Si-Al-O-N-C陶瓷材料。采用差熱-熱重(DSC-TG)分析、X射線衍射

2、、X射線光電子能譜、紅外光譜、掃描電鏡、透射電鏡以及力學(xué)性能測(cè)試等方法研究了先驅(qū)體法制備Si-Al-O-N-C陶瓷粉末的成膠、凝膠熱分解過程與粉末化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和形貌特征，以及由這種粉末燒結(jié)成的陶瓷的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。AHDT先驅(qū)體裂解陶瓷產(chǎn)率最高達(dá)到93.89％；AHD先驅(qū)體的陶瓷產(chǎn)率最高達(dá)到了93.6%，陶瓷產(chǎn)率最低的試樣Si5.4Al0.6O5.4N7.4C5.7(D)達(dá)到76.76%。隨著Al含量的增加，先驅(qū)體裂解的陶瓷產(chǎn)率提高。先驅(qū)

3、體裂解粉體中非晶態(tài)物質(zhì)含量很高，主要有Si-N基團(tuán)、Si-O-N和Al-O-N基團(tuán)組成。當(dāng)鋁含量提高，Si、AlN、SiC、Al3O3N相析出，Al的加入促進(jìn)先驅(qū)體裂解時(shí)析晶。AHDT先驅(qū)體裂解粉在1750℃熱壓燒結(jié)后，得到的陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度σf最高達(dá)到220MPa，斷裂韌性KIC最高達(dá)到3.47MPa?m1/2，維氏硬度最高達(dá)到6.73GPa。Al含量的增加對(duì)AHDT先驅(qū)體裂解粉燒結(jié)試樣的力學(xué)性能有較大的影響，Al含量高的材料致密度

4、低，材料也較難燒結(jié)。AHDT先驅(qū)體裂解粉在1750℃燒結(jié)的陶瓷材料的組織以非晶態(tài)物質(zhì)為主，同時(shí)還有 SiC、Al2O3?SiO2、SiAl6O2N6相析出。材料表面平整，斷口呈脈狀，用TEM觀察陶瓷的組織，發(fā)現(xiàn)材料中非晶、SiC和Al2O3?SiO2共存，SiC晶粒呈現(xiàn)圓形， Al2O3?SiO2晶粒呈現(xiàn)長(zhǎng)片狀，它們的周圍被非晶態(tài)的物質(zhì)包圍。AHD先驅(qū)體裂解粉在1600℃熱壓燒結(jié)后，得到的陶瓷材料的最高抗彎強(qiáng)度σf和最高維氏硬度，分別達(dá)

5、到255.20MPa和5.58GPa，斷裂韌性 KIC最高達(dá)到3.1MPa?m1/2。AHD先驅(qū)體裂解粉1600℃熱壓燒結(jié)試樣強(qiáng)度和密度隨Al含量增加而下降。AHD先驅(qū)體裂解粉在1600℃熱壓燒結(jié)后的析出的晶相為SiC和莫來石3Al2O32 SiO2，隨Al含量增加析晶程度增加，當(dāng)Al百分含量低于6wt%時(shí)，材料有很好的非晶特性，表現(xiàn)為SEM觀察材料表面平整，斷口呈現(xiàn)非晶的斷裂形貌。陶瓷Si5.2Al0.5O5.2N7.5C13.9(D

6、)表面在氫氟酸腐蝕15min后發(fā)現(xiàn)析晶完好的長(zhǎng)棒狀六方α-SiC，粒徑在20μm左右，長(zhǎng)徑比大于5，瓷材料還發(fā)現(xiàn)有粒徑在0.2μm左右的球形β-SiC，均勻分布在材料中。氣壓燒結(jié)AHD先驅(qū)體裂解粉末可以得到單相或雙相的Sialon陶瓷，利用未裂解的AHD先驅(qū)體預(yù)制件燒結(jié)的材料致密度高，與使用裂解粉末預(yù)制件相比，非晶成分要多一些，但燒結(jié)后組成相同。利用未裂解的AHD先驅(qū)體預(yù)制件燒結(jié)減少了中間環(huán)節(jié)，節(jié)約時(shí)間和能源。另外利用先驅(qū)體裂解前優(yōu)異的