氮化硅基復(fù)合陶瓷高壓燃燒合成機(jī)理與工藝的研究.pdf

1、為開(kāi)發(fā)低成本、高效率工藝制備高性能復(fù)雜形狀氮化硅陶瓷，本文以TiSi2為反應(yīng)原料，SiC作稀釋劑，用壓制方法制得生坯，系統(tǒng)研究了氮化硅基陶瓷的燃燒合成反應(yīng)熱力學(xué)、工藝規(guī)律、致密化機(jī)理及產(chǎn)物性能，并通過(guò)向原料中摻雜Mo粉，對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行改性。采用低壓注射成形制備盲孔細(xì)長(zhǎng)管毛坯，結(jié)合自蔓延高溫合成熱等靜壓(SHS-HIP)燒結(jié)技術(shù)，探索快速、高效合成復(fù)雜形狀零件的低成本制備工藝。具體工作如下：
　　利用熱力學(xué)方法計(jì)算了TiSi2-S

2、iC-N2體系的絕熱溫度Tad，分解壓力，吉布斯自由能及工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果表明：SiC含量低于57wt％的TiSi2-SiC體系都可以實(shí)現(xiàn)自蔓延反應(yīng)；當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Ω哂?0MPa時(shí)，TiN和Si3N4不會(huì)發(fā)生分解；若要完全反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中必然存在氮?dú)庥擅魍獠肯騼?nèi)的滲入；在一定程度上增加稀釋劑含量、氮?dú)鈮毫懊骺紫堵视欣谔岣咿D(zhuǎn)化率。
　　結(jié)合反應(yīng)物DSC分析及淬熄實(shí)驗(yàn)，分析了反應(yīng)過(guò)程機(jī)理，建立了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。TiSi2

3、-SiC-N2體系燃燒合成反應(yīng)可分為三個(gè)階段：TiSi2受熱熔化并在SiC顆粒表面浸潤(rùn)漫流；TiSi2與N2發(fā)生反應(yīng)生成TiN和自由Si；Si與N2反應(yīng)生成Si3N4晶須和顆粒；Si3N4晶須的生長(zhǎng)由VLS機(jī)制、VS生長(zhǎng)機(jī)制及蒸發(fā)凝聚的氣相生長(zhǎng)機(jī)制多種機(jī)制共同作用。
　　壓制得到不同SiC含量、孔隙率的毛坯，在一定氮?dú)鈮毫ο氯紵铣?，系統(tǒng)地研究了反應(yīng)工藝規(guī)律。計(jì)算了毛坯轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物相對(duì)密度，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行XRD、SEM分析。結(jié)果表明

4、：隨氮?dú)鈮毫癝iC含量增加，轉(zhuǎn)化率增大。當(dāng)SiC含量超過(guò)35wt%，則發(fā)生SiC的氮化反應(yīng)；隨著SiC含量與毛坯孔隙率的增加，產(chǎn)物相對(duì)密度都是先增大后降低，存在最大值。采用優(yōu)化工藝，制備了室溫抗彎強(qiáng)度430MPa，1400℃高溫抗彎強(qiáng)度達(dá)150MPa，斷裂韌性為3.6MPa·m1/2的Si3N4-TiN-SiC陶瓷。
　　向TiSi2-SiC體系中加入不同含量的Mo，燃燒合成制備了高性能Si3N4-TiN-MoSi2-SiC陶瓷

5、。加入Mo粉后，燃燒產(chǎn)物致密度有較大提高，Si3N4-TiN-MoSi2-SiC陶瓷的高溫抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性顯著提高。Mo含量為20wt%的試樣，1400℃高溫抗彎強(qiáng)度達(dá)170MPa，斷裂韌性為6.7MPa·m1/2。
　　分別在800℃、1000℃和1200℃條件下，進(jìn)行了恒溫氧化實(shí)驗(yàn)。分析了氧化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)，研究了材料的抗熱震性能。結(jié)果表明：Si3N4-TiN-SiC陶瓷氧化增重與時(shí)間的關(guān)系符合拋物線規(guī)律，其氧化活化能為122

6、.6kJ/mol；Si3N4-TiN-SiC試樣首先發(fā)生的是TiN的氧化，生成金紅石TiO2，隨后Si3N4和SiC發(fā)生氧化反應(yīng)。伴隨氧化的進(jìn)行，氧化產(chǎn)物N2不斷向外排出，最終材料表面被TiO2晶粒所覆蓋；抗熱震實(shí)驗(yàn)表明，兩種Si3N4基復(fù)合陶瓷的抗熱震性能優(yōu)異，Si3N4-TiN-SiC陶瓷臨界熱震溫差為700℃，Si3N4-TiN-MoSi2-SiC陶瓷臨界熱震溫差為500℃。
　　選用石蠟基粘結(jié)劑體系進(jìn)行低壓注射成形，分析了