氮化硅基復合陶瓷高壓燃燒合成機理與工藝的研究.pdf

1、為開發(fā)低成本、高效率工藝制備高性能復雜形狀氮化硅陶瓷，本文以TiSi2為反應原料，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熱力學、工藝規(guī)律、致密化機理及產(chǎn)物性能，并通過向原料中摻雜Mo粉，對氮化硅陶瓷進行改性。采用低壓注射成形制備盲孔細長管毛坯，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、高效合成復雜形狀零件的低成本制備工藝。具體工作如下：
　　利用熱力學方法計算了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體系都可以實現(xiàn)自蔓延反應；當?shù)獨鈮毫Ω哂?0MPa時，TiN和Si3N4不會發(fā)生分解；若要完全反應，反應過程中必然存在氮氣由毛坯外部向內(nèi)的滲入；在一定程度上增加稀釋劑含量、氮氣壓力及毛坯孔隙率有利于提高轉(zhuǎn)化率。
　　結(jié)合反應物DSC分析及淬熄實驗，分析了反應過程機理，建立了反應動力學模型。TiSi2

3、-SiC-N2體系燃燒合成反應可分為三個階段：TiSi2受熱熔化并在SiC顆粒表面浸潤漫流；TiSi2與N2發(fā)生反應生成TiN和自由Si；Si與N2反應生成Si3N4晶須和顆粒；Si3N4晶須的生長由VLS機制、VS生長機制及蒸發(fā)凝聚的氣相生長機制多種機制共同作用。
　　壓制得到不同SiC含量、孔隙率的毛坯，在一定氮氣壓力下燃燒合成，系統(tǒng)地研究了反應工藝規(guī)律。計算了毛坯轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物相對密度，并對產(chǎn)物進行XRD、SEM分析。結(jié)果表明

4、：隨氮氣壓力及SiC含量增加，轉(zhuǎn)化率增大。當SiC含量超過35wt%，則發(fā)生SiC的氮化反應；隨著SiC含量與毛坯孔隙率的增加，產(chǎn)物相對密度都是先增大后降低，存在最大值。采用優(yōu)化工藝，制備了室溫抗彎強度430MPa，1400℃高溫抗彎強度達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陶瓷的高溫抗彎強度及斷裂韌性顯著提高。Mo含量為20wt%的試樣，1400℃高溫抗彎強度達170MPa，斷裂韌性為6.7MPa·m1/2。
　　分別在800℃、1000℃和1200℃條件下，進行了恒溫氧化實驗。分析了氧化機理及動力學，研究了材料的抗熱震性能。結(jié)果表明：Si3N4-TiN-SiC陶瓷氧化增重與時間的關系符合拋物線規(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。伴隨氧化的進行，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；抗熱震實驗表明，兩種Si3N4基復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)劑體系進行低壓注射成形，分析了