稀土氧化物类型对自韧α-Sialon陶瓷的氧化及热震行为影响

摘要

本文采用热压烧结工艺制备了Nd、Sm、Dy和Yb等四种稀土掺杂的α-Sialon陶瓷材料。利用XRD、SEM、TEM等手段研究了稀土类型及额外添加2wt%稀土氧化物作为助烧剂对Sialon陶瓷材料的致密化、物相组成及显微组织结构的影响；采用三点弯曲、单边缺口测试方法对室温弯曲强度及断裂韧性进行了评定；并着重系统地研究了稀土类型、物相构成及显微组织结构对材料热物理性能、抗热震性能及抗氧化性能的影响。试验结果表明,采用1800℃/30MPa/60min工艺热压烧结,所有材料都获得了大于98%的致密度。通过额外添加2wt.%对应稀土氧化物补充必要的烧结液相,以高纯超细Si3N4、AlN、Al2O3、RE2O3(RE为Nd、Sm、Dy或Yb)粉末为原料,RE1/3Si10Al2ON15边界成分的小稀土掺杂的Dy-、Yb-α-Sialon也能够获得全致密的陶瓷材料。XRD物相分析结果显示,对Nd-Sialon材料来说,添加或不添加2wt.%过量稀土氧化物作为助烧剂对物相影响不大,都获得了以α-Sialon为主晶相、同时含有少量β-Sialon和M′(R2Si3-xAlxO3+xN4-x)相的陶瓷材料。添加2wt%稀土氧化物助烧剂的Dy-和Yb-sialon材料的XRD物相十分纯净,均由单相α-Sialon组成,并因此保持了很高的硬度(Hv10=21GPa左右)。受稀土类型影响,所得材料的显微组织结构有较大差别。Yb、Dy小稀土掺杂的α-Sialon有较大的化学驱动力,α-Sialon的快速生成尽早地耗尽了高温液相,阻碍α-Sialon晶粒各向异性生长,从而得到了细晶等轴组织；相反Nd、Sm大稀土倾向于延长高温液相的持续时间,有利于获得棒晶组织。本文所得Sialon材料的抗弯强度和断裂韧性分别在300MPa~600MPa和4.0MPa·m1/2~5.1MPa·m1/2之间,随棒晶长径比及含量增加而增加。主要的强韧化机制为载荷传递、韧化机制为裂纹的偏转、长棒状晶体的拔出与桥接。所得α-Sialon材料具有较好的抗热震能力,经受1200℃热震温差的剩余强度保持率最低在75%以上；1100℃温差热震,发现材料的剩余强度增加现象。良好的力学与热物理综合性能是其具有较高抗热震能力的主要原因。本文所得的α-Sialon材料具有良好的抗氧化能力。氧化分析结果表明1300℃氧化32h时,NdE2和NdE0单位面积氧化增重为3.5mg/cm2左右,而SmE2、DyE2、YbE2仅仅增重了1.5mg/cm2左右。氧化增重与时间呈抛物线规律。NdE2、NdE0、SmE2、DyE2、YbE2氧化反应活化能计算结果分别为475、488、505、512和515kJ/mol。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 Sialon基陶瓷材料的分类与进展

1.2.1 单相Sialon陶瓷

1.2.2 复相Sialon陶瓷

1.2.3 自增韧α-Sialon陶瓷

1.3 稀土氧化物在Sialon陶瓷材料中的应用研究进展

1.3.1 单一稀土氧化物在Sialon陶瓷材料中的应用研究

1.3.2 复合掺杂稀土氧化物在Sialon陶瓷材料中的应用研究

1.3.3 不同稀土掺杂氧化物对Sialon陶瓷材料性能的影响研究

1.4 陶瓷材料抗热震性的研究进展

1.4.1 热冲击断裂和损伤理论

1.4.2 断裂发生和裂纹扩展的统一理论

1.4.3 提高陶瓷断裂抗热震性的主要措施

1.5 α-Sialon抗氧化性能研究

1.6 本文的研究目的和研究内容

1.6.1 研究目的

1.6.2 研究内容

第2章 试验材料与试验方法

2.1 试验原料及制备工艺

2.2 复合材料基本性能测试方法

2.2.1 维氏硬度的测定

2.2.2 抗弯强度和弹性模量的测定

2.2.3 断裂韧性的测定

2.2.4 热膨胀系数的测定

2.2.5 TG-DSC曲线测定

2.3 复合材料的组织结构观察

2.3.1 XRD物相分析

2.3.2 扫描电镜(SEM)观察

2.3.3 透射电镜(TEM)观察

2.4 氧化试验

2.5 热震试验

第3章 α-Sialon材料的组织性能及热震损伤

3.1 Sialon材料的显微组织结构及室温力学性能

3.1.1 致密度及XRD物相

3.1.2 Sialon材料主晶相晶粒的SEM形貌

3.1.3 Sialon材料的TEM组织

3.1.4 Sialon材料的室温力学性能

3.2 Sialon材料的热物理性能

热膨胀系数

3.3 Sialon材料的抗热震性能

3.3.1 热震温度对剩余强度的影响

3.3.2 热震参数的理论计算

3.3.3 热震次数对剩余强度的影响

3.4 热震损伤的SEM观察

3.5 断口形貌观察

3.6 本章小结

第4章 α-Sialon材料的氧化损伤及氧化机理

4.1 Sialon材料的TG-DSC行为

4.2 Sialon材料的氧化热力学

4.3 Sialon材料的氧化动力学

氧化增重规律

4.4 Sialon材料的氧化产物

4.4.1 氧化产物的XRD物相

4.4.2 氧化表面的SEM观察

4.4.3 氧化截面的SEM观察

4.5 Sialon材料的氧化机理模型的建立

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢