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《哈尔滨工业大学》 2007年
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稀土添加剂的类型对α-sialon陶瓷组织与性能的影响

刘春凤  
【摘要】:本文采用两步热压烧结法制备了不同稀土单一掺杂以及复合掺杂的α-sialon陶瓷。系统研究了α-sialon陶瓷的微观组织和力学性能的关系,揭示了长棒状α-sialon晶粒的形核和长大方式及自增韧机制。通过氧化试验,分析了稀土氧化物类型和含量对材料氧化性能的影响并探讨了氧化机理。 研究发现,小尺寸Yb~(3+)、Y~(3+)和Dy~(3+)稳定的α-sialon陶瓷只有单一的α-sialon相,而大尺寸稀土体系还含有少量晶间相M'(R2Si3-xAlxO~(3+)xN4-x)、甚至β-sialon和21R-AlN多型体。随着稀土离子尺寸增大,陶瓷中长棒状晶粒增多,长径比增大;断裂韧性升高,硬度略有下降。 选用高熔点Sc_2O_3为稳定剂制备的sialon陶瓷主要由β-sialon相组成,并含有少量12H-AlN多型体。12H'吸收大量Sc进入到它的结构中,为减少晶间相提供了一条有效途径。Sc-sialon陶瓷硬度较低,只有16 GPa;等轴晶粒形貌使得材料的强度和韧性偏低,只有541 MPa和3.8 MPa?m1/2。但以高熔点Lu2O3为稳定剂的α-sialon陶瓷则完全由α-sialon相构成,兼有少量晶间相J'(Lu4Si2-xAlxO7+xN2-x),其硬度很高,都在21 GPa以上。随着Lu2O3含量增加,晶间相增多,长棒状晶粒数目增多,长径比增大,强度和韧性升高,硬度略有下降;当过量Lu2O3含量超过4 wt.%时,晶粒径向尺寸明显变小,长度略有降低;过量Lu2O3含量为4 wt.%时,材料具有最高的韧性和强度,分别为4.7 MPa?m1/2和620.2 MPa。热处理使得Lu-α-sialon晶粒各向异性长大明显,晶间相分布趋向于三角晶界处,其固溶度增大,而α-sialon的固溶度减小,韧性和强度进一步升高。 首次将两种小尺寸稀土离子Sc~(3+)和Lu~(3+)复合掺杂制备α-sialon陶瓷,成功使得不能单独进入α-sialon结构的Sc~(3+)稳定存在于α-sialon中。材料主要由α-sialon相构成,兼有少量β-sialon、J'和含Sc的12H'相。材料具有高硬度、高韧性和抗弯强度,分别为20.4 GPa、5.2 MPa?m1/2和652 MPa。 HREM分析表明,单一掺杂的α-sialon陶瓷中,α-sialon和晶间相之间没有非晶层,但在α-sialon相之间则存在厚度1 nm左右的非晶层,即使热处理也不能完全消除;但在复合掺杂的ScLu-α-sialon中,α-sialon相之间以及和β-sialon相之间的界面都不存在非晶层。 (S)TEM分析表明,不同稀土体系α-sialon晶粒形核长大机制均是以α-Si3N4作为优先形核位置外延生长,且初始析出的α-sialon较之后沉淀析出的固溶度高,core、shell之间点阵连续,晶体结构和晶体学取向相同,由于成份及晶格常数的差异,界面存在错配位错及应变引起的衬度变化。棱柱面界面反应控制生长和基面(001)的扩散控制生长促使α-sialon晶粒各向异性长大并形成长棒状晶粒。 长棒状α-sialon晶粒的形成成功实现了α-sialon陶瓷的自增韧机制。通过长棒状晶粒的解离和拔出以及裂纹沿长棒状晶粒的偏转和桥接大大提高了陶瓷的断裂韧性,同时长棒状晶粒也促进了材料的强化。 Lu-和ScLu-α-sialon陶瓷都具有很高的高温强度,1400oC下仍达550 MPa以上,且抗氧化性能好,氧化层致密,1300oC下其氧化速率常数K≈2.5×10-6 - 4.2×10-6 mg2/(cm4?s),较Y-α-sialon陶瓷低一个数量级。氧化反应及元素扩散共同作用使得氧化层下方形成一个稀土元素消耗区,它与氧化层和基体连接紧密。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ174.12

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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8 陈晓苹;延长玻璃质光学元件工作寿命的表面强化技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2011年
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7 韩孟岩;网络氧化铝陶瓷/铁基合金复合材料的制备[D];华南理工大学;2011年
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10 卢姗姗;复合明胶微球的α-TCP/α-CSH骨水泥支架的制备及载药研究[D];天津大学;2010年
【同被引文献】
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5 李永胜;泥浆泵用工程陶瓷缸套的研制[D];中南大学;2007年
6 王萍萍;SIALON陶瓷的制备及力学性能研究[D];哈尔滨理工大学;2007年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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