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《中南大学》 2010年
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Y-Mg-Si-Al-O-N玻璃和微晶玻璃的制备及其组成—结构—性能关系研究

李秀英  
【摘要】: 与相应的氧化物玻璃相比,铝硅酸盐氧氮玻璃的转变温度、粘度、硬度、强度、弹性模量、断裂韧性都显著提高,热膨胀系数却明显降低。将氧氮玻璃进行热处理可制备出含一定量晶相和玻璃相的氧氮微晶玻璃,它是一种非常有前景的非氧化物陶瓷材料。然而,铝硅酸盐氧氮玻璃的制备一般需要在高于1700℃的温度下长时保温,氮化硅容易氧化分解,因此,制备均匀透明的氧氮玻璃是一个难题。同时,由铝硅酸盐氧氮玻璃制备微晶玻璃则需要在1100-1400℃的高温下进行长达数十小时的热处理,所制备的微晶玻璃中析出相的种类非常复杂,从而导致微晶玻璃的性质也不稳定。 本论文以Y-Mg-Si-Al-O-N体系氧氮玻璃为研究对象,通过组成设计、熔制试验、示差扫描分析、X-ray衍射分析、SEM结合EDS分析、红外光谱分析和性能测试等方法和手段系统研究了较低温度制备Y-Mg-Si-Al-O-N体系氧氮玻璃的新工艺、阳离子组成及配比对Y-Mg-Si-Al-O-N氧氮玻璃及其氧氮微晶玻璃结构和性能的影响及热处理制度(一步热处理和两步两步热处理)与Y-Mg-Si-Al-O-N氧氮微晶玻璃相转变、析晶度、微观机构及机械性能的关系等。主要研究结果如下: 1、提出了在较低温度和局部CO还原气氛下制备铝硅酸盐氧氮玻璃的新工艺。此工艺使铝硅酸盐氧氮玻璃的熔制温度由1700℃降低到1560℃,原料中氮化硅的氧化和分解程度减慢,且熔体可迅速取出退火,从而避免了熔体在冷却过程中的失透,使得制备的氧氮玻璃更均匀,透明。局部还原性气氛与低于1600℃的熔制温度摆脱了氧氮玻璃熔制必须使用高温气氛炉的限制。 2、系统地研究了阳离子含量(Mg/Y比和Al/Si比)对Y-Mg-Si-Al-O-N氧氮玻璃结构和性能的影响。随着Mg/Y比的增加,玻璃中的部分Mg2+离子参与玻璃网络形成MgO42-,部分Al3+离子处于5配位或6配位状态,AlO4-减少,从而导致Al-O-Si桥键数减少。随着Al/Si比的增加,玻璃中非桥氧(NBO)以及Al-O-Si桥的数目逐渐减少。结构的变化反应在玻璃性能上即:随着Mg/Y比的增加转变温度呈非线性降低,化学稳定性呈线性降低,三点弯曲强度和显微硬度均是先增大后减小。随着Al/Si比的增加,玻璃转变温度逐渐降低而化学稳定性和机械性能却逐渐增强。 3、对Y-Mg-Si-Al-O-N氧氮玻璃中机械性能较好的14Y14Mg48Si24Al83O17N玻璃进行热处理,制备了含多种晶相的微晶玻璃,其主晶相为YMgSi2O5N,它也是唯一的含氮晶相。采用修正的Kissinger和Ozawa方法计算出14Y14Mg48Si24Al83O17N玻璃的析晶活化能分别为378kJ/mmol和397kJ/mol,大大低于Y-Si-Al-O-N氧氮玻璃的析晶活化能。体成核机理是14Y14Mg48Si24Al83O17N氧氮玻璃中的主要成核机理。 4、在Y-Mg-Si-Al-O-N玻璃系统中,随着Mg/Y比的增加,制备高析晶度氧氮微晶玻璃就越容易,玻璃的析晶活化能逐渐降低,玻璃开始析晶的温度逐渐降低,所需的热处理时间也越短。在28Y48Si24Al83O17N玻璃中7eq.%的Mg取代相同含量的Y就能彻底改变析出相的种类,而21Y7Mg48Si24Al83O17N和14Y14Mg48Si24Al83O17N氮氮玻璃析出相的种类基本相同。 5、系统研究了热处理制度对14Y14Mg48Si24Al83O17N和28Y48Si24Al83O17N氧氮微晶玻璃的相转变、析晶度、微观结构及机械性能的影响。热处理制度对14Y14Mg48Si24Al83O17N和28Y48Si24Al83O17N氧氮微晶玻璃相转变的影响较小,所制备的14Y14Mg48Si24Al83O17N微晶玻璃样品中均包含YMgSi2O5N, MgSiO3和Mg3Al2(Si04)3三种物相,且按其含量排序一直为YMgSi2O5N MgSiO3 Mg3Al2(SiO4)3。在1100-1300℃的较宽温度范围内对28Y48Si24Al83O17N玻璃进行热处理均能制备出主晶相为YAG的微晶玻璃,且在1200℃及其以下温度制备了单一Y3Al5O12相的微晶玻璃。当热处理温度超过1200℃时,有少量O'-sialon相析出。热处理制度对两个不同组成玻璃的析晶度有较大影响,总的来说,微晶玻璃的析晶度随着核化温度的升高或核化时间的延长而增大,但随着晶化温度的升高,28Y48Si24Al83O17N微晶玻璃的析晶度急剧增大,而14Y14Mg48Si24Al83O17N微晶玻璃的析晶度增大不是很明显。晶化温度的升高使14Y14Mg48Si24Al83O17N氧氮微晶玻璃中的棒状YMgSi2O5N晶体得到充分生长,晶粒尺寸变得均匀,当晶化温度达到1160℃时晶粒尺寸最均匀,随着晶化温度的进一步升高部分棒状晶粒开始弯曲。晶化温度的升高使28Y48Si24Al83O17N微晶玻璃中的树枝状Y3Al5O12晶粒的枝干变长,枝叶变宽变厚。晶化温度对14Y14Mg48Si24Al83O17N氧氮微晶玻璃的三点弯曲强度影响较小,随着晶化温度的升高,强度增加,当晶化温度达到1160℃时,强度达到最大值,之后其强度逐渐减弱。28Y48Si24Al83O17N微晶玻璃的三点弯曲强度随着晶化温度的升高而增大。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ171.1

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