注浆成型制备高性能氮化硅陶瓷技术研究

摘要

本文以高性能陶瓷研磨罐用氮化硅材料为研究对象，从工艺设计的角度研究料浆制备、毛坯干燥、脱胶以及烧结的问题，寻求一条适合易于溶剂反应的非氧化物，尤其适用于气压烧结氮化硅陶瓷材料制备的注浆成型的技术路线，并对其中机理性的问题深入探讨与分析。
　　 本文首先研究了氮化硅粉体煅烧预处理使粉体颗粒表面化学键变化情况，而后对氮化硅粉体煅烧预处理和烧结助剂包覆制备的料浆的固相含量、PH值、Zeta电位、流变特性以及对分散剂吸附量等一系列参数进行设计，提高氮化硅料浆的稳定性和悬浮性，进而制备高强度的坯体，最后通过合理的干燥、脱胶工艺，烧结制备相对密度的氮化硅试样棒。
　　 分析了氮化硅粉体表面基团在水中的分解反应，分析结果表明，氮化硅粉体颗粒表面多含有硅烷醇[Si-O]基团，而硅烷醇可以促进水分对氮化硅颗粒的润湿效果，提高分散效果。通过研究氮化硅颗粒的氧化行为，讨论了氧化硅包覆层的晶型转变以及包覆状况，确定了煅烧预处理最佳温度为850℃。采用分析煅烧后粉体表面电子结合能谱，测量得氧化硅的氧含量为表面总氧含量的16％，并采用浸泡的方法确定了煅烧预处理保温时间为2h。以柠檬酸铵作为分散剂，采用球磨法制备了固相含量高达67.5wt％，粘度低于110mPa.s，高稳定性的氮化硅料浆。研究了柠檬酸铵对氮化硅粉体的吸附特性，探讨了柠檬酸铵吸附量对氮化硅料浆的影响，以及吸附量受料浆PH值、硅烷醇含量的影响。
　　 采用烧结助剂包覆法包覆氮化硅粉体，以4％含量的柠檬酸铵作为分散剂，制备了固相含量高达75wt％，粘度低于110mPa.s，悬浮性良好的氮化硅浆料。
　　 本文以研究毛坯干燥模型为契机，分析了干燥速率与环境温度、湿度的影响，确定将干燥阶段分为两个主要阶段:慢速干燥阶段（即干燥模型中的等速干燥阶段）和快速干燥阶段（即模型中的减速干燥阶段），慢速干燥阶段在恒温恒湿试验箱中进行，保持40℃的低温和70％的高湿度，快速干燥阶段可以和脱胶工艺相结合。以研究坯体差热扫描以及热重分析，制定了脱胶工艺制度。
　　 本文以氮化硅陶瓷烧结动力学理论基础，并借助扫描电子显微镜(SEM)技术手段对烧结体的微观结构与相变进行了分析研究，制定了适用于注浆成型的烧结工艺制度。分析结果显示:煅烧预处理使得氮化硅陶瓷烧结体内的液相含量有所增加，并将烧结温度降低，并分析了由于烧结温度过高造成的试样棒鼓泡。
　　 采用气压液相烧结注浆成型氮化硅陶瓷，最佳气压烧结工艺为1700℃×7MPa，制备的良好的陶瓷材料性能:硬度HRV91.5，相对密度99.5％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 氮化硅物理化学性能

1．2 陶瓷材料胶态成型

1．2．1 传统高压注射成型

1．2．2 低压注射成型

1．2．3 流延成型

1．2．4 凝胶注模成型

1．2．5 直接凝固注模成型

1．2．6 注浆成型

1．3 陶瓷料浆稳定机理

1．3．1 静电稳定机制

1．3．2 空间位阻稳定机制

1．3．3 静电空间稳定机制

1．4 DLVO理论

1．5 本论文的目的和意义

第二章 氮化硅粉体表面改性

2．1 表面改性方案及组分设计

2．2 所采用粉体原料特性

2．3 实验步骤

2．4 设备

2．5 表征与测试

2．6 结果与分析

2．6．1 自蔓燃氮化硅粉体表面化学键分析

2．6．2 高温氧化处理温度确定

2．6．3 煅烧时间的确定

2．6．4 混料时间的确定

2．6．5 煅烧氮化硅粉体流变特性

2．6．6 煅烧预处理后Zeta电位的情况

2．6．7 添加NH4PA分散剂后的效果

2．6．8 高固相含量料浆的制备

2．6．9 烧结助剂包覆氮化硅粉体特性

本章小结

第三章 毛坯干燥与脱胶工艺的研究

3．1 干燥原理与工艺过程分析

3．2 干燥工艺制度制定

3．3 脱胶

本章小结

第四章 氮化硅烧结工艺研究

4．1 氮化硅陶瓷烧结动力学

4．2 烧结工艺研究

4．2．1 烧结制度的制定

4．2．3 烧结压力的影响

4．3 显微结构分析

本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献