Al、Y離子注入及復合技術對提高Si-,3-N-,4-抗氧化性能的研究.pdf

1、Si<,3>N<,4>陶瓷材料是常用的高溫結構材料.然而,在高溫使用時的氧化問題,直接影響了Si<,3>N<,4>陶瓷材料的使用壽命和性能.該文首先從熱力學、動力學和整體控速過程探討了氮化硅陶瓷材料高溫氧化理論和氧化性質,綜述Si<,3>N<,4>陶瓷材料抗氧化性能的研究現(xiàn)狀.Si<,3>N<,4>氧化主要受氧化溫度和氧分壓的影響,氧化溫度高、氧分壓大,就容易發(fā)生"活化氧化";氧化溫度低、氧分壓小,易發(fā)生"鈍化氧化".氧化控速過程為"界

2、面反應和擴散混合控制過程".離子束表面改性技術在材料改性方面獨有的優(yōu)點,使得該項技術的研究越來越受到人們的重視.該文采用金屬蒸發(fā)真空電弧(MEVVA)離子源將金屬鋁、釔離子注入到Si<,3>N<,4>陶瓷材料,注入能量為40keV,劑量分別為5×10<'16>ion/cm<'2>和2×10<'17>ion/cm<'2>.在1200℃空氣中,對注入和未注入Si<,3>N<,4>試樣進行循環(huán)氧化實驗.利用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射議(X

3、RD)、電子探針顯微分析(EPMA)、X射線能譜儀(EDX)等方法對注入與未注入Si<,3>N<,4>試樣表面和截面形貌的變化,相組成的變化等進行研究,分析了離子注入提高Si<,3>N<,4>陶瓷材料抗氧化性能的原因和機制.研究結果表明,注入與未注入Si<,3>N<,4>試樣的氧化質量增量均服從拋物線規(guī)律,屬"鈍化氧化";注入2×10<'17>ion/cm<'2>劑量鋁和釔后的Si<,3>N<,4>試樣氧化質量增量比未注入Si<,3>N

4、<,4>試樣氧化增量分別減少15.5%和12.4%.EPMA分析表明,鋁離子注入Si<,3>N<,4>試樣氧化后表層相組成為SiO<,2>和Al<,2>O<,3>.差熱分析表明,注入的釔離子1200℃不會與SiO<,2>發(fā)生反應,因此表層的釔離子還是以Y<,2>O<,3>的形式存在.氧化形成的Al<,2>O<,3>和Y<,2>O<,3>,能有效的阻止氧和氮的擴散,是提高Si<,3>N<,4>抗氧化性能主要原因.該文還采用氧化-注入-高溫

5、反應復合離子束技術,對Si<,3>N<,4>試樣進行表面處理.研究結果表明,復合處理后的Si<,3>N<,4>試樣的氧化質量增量同樣均服從拋物線規(guī)律;其質量增量比原始Si<,3>N<,4>試樣減少22%.XRD分析表明,在1400℃高溫下,SiO<,2>和Y<,2>O<,3>反應最終生成Y<,2>Si<,2>O<,7>,有效的阻止氧和氮的擴散,提高Si<,3>N<,4>抗氧化性能.該文研究了SiO<,2>和Y<,2>O<,3>的相變過程

6、,發(fā)現(xiàn)SiO<,2>和Y<,2>O<,3>在1200℃時沒有發(fā)生相變;在1300℃發(fā)生相變,生成Y<,2>SiO<,5>和Y<,2>Si<,2>O<,7>相,但其中還有SiO<,2>和Y<,2>O<,3>相;到1500℃時,SiO<,2>和Y<,2>O<,3>完全轉變?yōu)閅<,2>SiO<,5>和Y<,2>Si<,2>O<,7>相.這與差熱分析的結果相一致.經(jīng)過上述的研究看出,離子注入技術能很好的提高Si<,3>N<,4>陶瓷材料的抗氧化