氮化鋁基導(dǎo)電陶瓷高壓燃燒合成工藝與性能表征.pdf

1、導(dǎo)電陶瓷是集金屬電學(xué)性質(zhì)和陶瓷結(jié)構(gòu)特性于一體的高性能功能材料，具有一般金屬所不能比擬的物理化學(xué)性質(zhì)。本文以 Al+N2 AlN反應(yīng)為基礎(chǔ)，添加一定量的TiB2或 TiN導(dǎo)電相，在100MPa高壓氮?dú)庀?，采用燃燒合成工藝制備?AlN基復(fù)相導(dǎo)電陶瓷。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)電相、絕緣相的比例，獲得不同導(dǎo)電率的高溫導(dǎo)電陶瓷。由于體系各組分均具有很高的熔點(diǎn)，因而該體系導(dǎo)電陶瓷具有優(yōu)良的高溫性能，同時(shí)具有極好的耐腐蝕和耐磨損特性。
　　本文首先著重研究

2、了 AlN-TiB2導(dǎo)電陶瓷燃燒合成機(jī)理、導(dǎo)電性能和抗氧化性能。研究表明，隨著導(dǎo)電相 TiB2含量的增加，產(chǎn)物的致密度、抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在 TiB2含量為45％時(shí)出現(xiàn)峰值。這是由于在燃燒合成反應(yīng)區(qū)熔融的Al在 TiB2表面漫流，發(fā)生強(qiáng)烈的液相燒結(jié)，同時(shí)在外部壓力作用下實(shí)現(xiàn)致密化。Al與TiB2的比例過(guò)高或過(guò)低均不利于液相燒結(jié)的進(jìn)行。同時(shí)，隨著導(dǎo)電相 TiB2體積含量的增加，產(chǎn)物的電阻率下降。TiB2體積

3、含量為30～60%時(shí)，AlN-TiB2體系具有良好的導(dǎo)電性，電阻率位于1800～150μ?·cm之間。
　　其次，本文采用原位合成的方式（B4C+Si BN+SiC）引入 BN相，利用TiN和TiB2相近的物理性能，同時(shí)為了降低反應(yīng)的復(fù)雜性（TiB2+N2 TiN+BN），以 TiN替代 TiB2，燃燒合成制備具有良好力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的AlN-TiN-BN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷。熱力學(xué)分析表明，在100MPa反應(yīng)壓力下，燃燒溫度較低時(shí)，T

4、iN為穩(wěn)定相；當(dāng)燃燒溫度較高時(shí)，將發(fā)生TiN+B4C TiC+TiB2+N2的反應(yīng)，產(chǎn)物的X射線衍射分析驗(yàn)證了上述的分析。導(dǎo)電相 TiN含量對(duì)力學(xué)性能和電阻率的影響與AlN-TiB2體系類似。另外，隨著AlN-TiN-BN體系中原位生成的BN含量的增加，產(chǎn)物的致密度和強(qiáng)度下降，但產(chǎn)物的抗熱震性顯著提高。當(dāng)BN含量為30%、40%時(shí)，產(chǎn)物的殘余強(qiáng)度隨熱震溫差的增加未發(fā)生明顯的變化，抗熱震性能優(yōu)良。
　　最后，為改善 AlN-TiB2

5、復(fù)相導(dǎo)電陶瓷的力學(xué)性能，在 AlN-TiB2體系中加入SiC，研究 AlN-SiC固溶強(qiáng)化對(duì)產(chǎn)物性能的影響。研究表明，在燃燒合成高溫下，產(chǎn)物中AlN-SiC完全固溶。隨著 SiC含量的增加，一方面固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)；另一方面隨著 SiC含量的增加，Al含量下降，致密化過(guò)程減弱，在正反兩方面因素作用下，產(chǎn)物的致密度、抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，在 SiC含量為35%時(shí)出現(xiàn)峰值。
　　對(duì) AlN-SiC-TiB2體系的燃燒合成產(chǎn)物進(jìn)

6、行了熱處理，研究了熱處理溫度(600-1200℃)和保溫時(shí)間(1-10h)對(duì)產(chǎn)物性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。隨熱處理溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷試樣的力學(xué)性能得到顯著提高，得到了抗彎強(qiáng)度達(dá)517.8MPa、斷裂韌性5.79MPa?m1/2、洛氏硬度94.1、致密度達(dá)95%的AlN-SiC-TiB2陶瓷。研究了熱處理產(chǎn)物的表面背散射相和透射相，結(jié)果表明：存在明顯的AlN-SiC分相現(xiàn)象并在AlN基體和TiB2顆粒的界面處觀察到大量的納米尺寸

7、的TiB2晶體析出相。熱處理工藝增韌增強(qiáng)機(jī)理主要有：一是熱處理工藝減弱或消除了存在于燃燒合成試樣中的熱應(yīng)力；二是熱處理后，固溶體的分相析出的富 SiC相固溶體起到了顆粒彌散強(qiáng)化的作用；三是 AlN-SiC基體中析出的TiB2納米晶粒，使晶格畸變降低，內(nèi)應(yīng)力得以釋放，提高了產(chǎn)物的力學(xué)性能。
　　另外，還研究了 AlN-TiB2體系和AlN-SiC-TiB2體系的恒溫氧化行為，兩者的氧化增重與時(shí)間的關(guān)系均符合拋物線規(guī)律，后者的氧化速率