稀土添加劑的類型對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性能的關(guān)系，揭示了長棒狀α-sialon晶粒的形核和長大方式及自增韌機制。通過氧化試驗，分析了稀土氧化物類型和含量對材料氧化性能的影響并探討了氧化機理。
　　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，陶瓷中長棒狀晶粒增多，長徑比增大；斷裂韌性升高，硬度略有下降。
　　選用高熔點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度和韌性偏低，只有5

3、41MPa和3.8MPa?m1/2。但以高熔點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，長棒狀晶粒數(shù)目增多，長徑比增大，強度和韌性升高，硬度略有下降；當過量Lu2O3含量超過4wt.％時，晶粒徑向尺寸明顯變小，長度略有降低；過量Lu2O3含量為4wt.%時，材料具有最高的韌性和強

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，韌性和強度進一步升高。
　　首次將兩種小尺寸稀土離子Sc3+和Lu3+復合摻雜制備α-sialon陶瓷，成功使得不能單獨進入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晶粒形核長大機制均是以α-Si3N4作為優(yōu)先形核位置外延生長，且初始析出的α-sialon較之后沉淀析出的固溶度高，core、shell之間點陣連續(xù)，晶體結(jié)構(gòu)和晶體學取向相同，由于成份及晶格常數(shù)的差異，界面存在錯配位錯及應(yīng)變引起的襯度變化。棱柱面界面反應(yīng)控制生長和基面(001)的擴散控制生長促使α-sialon晶粒各向異性長大并形成長棒狀晶粒。
　　長棒狀α-sialon晶粒的形成成功實現(xiàn)了α-s

7、ialon陶瓷的自增韌機制。通過長棒狀晶粒的解離和拔出以及裂紋沿長棒狀晶粒的偏轉(zhuǎn)和橋接大大提高了陶瓷的斷裂韌性，同時長棒狀晶粒也促進了材料的強化。
　　Lu-和ScLu-α-sialon陶瓷都具有很高的高溫強度，1400oC下仍達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陶瓷低一個數(shù)量級。氧化反應(yīng)及元素擴散共同作用使