β-Sialon陶瓷的制备及热处理对其性能影响的研究

论文摘要

本文以α-Si3N4、Al2O3和AlN、Y2O3和Nd2O3粉体为原料,采用无压烧结工艺,经1750℃烧结,保温1h,通过对Y2O3和Nd2O3两种粉体的质量百分含量的优化,制得组织和性能优良的β-Sialon陶瓷试样;对制得的β-Sialon陶瓷标准样条（3×4×36mm）进行热处理,并结合XRD和三点弯曲等手段加以分析和表征气氛、温度和时间对β-Sialon陶瓷力学性能的影响以及影响的机理。实验的内容及结论如下:在无压烧结的条件,制备β-Sialon陶瓷试样中发现:由于Nd2O3和Y2O3两种稀土氧化物的加入降低了陶瓷的烧结温度,使得在1750℃烧结,保温1h的条件下制得致密度较高、组织发育较完全和力学性能优良的β-Sialon陶瓷,其中原料质量百分配比为:36.848%α-Si3N4,22.372%Al2O3,6.58%AlN,2.1%Y2O3和2.1%Nd2O3的β-Sialon陶瓷致密度最高、组织发育最完全和力学性能最好,其相对密度、抗弯强度和断裂韧性值分别为92.86%、329.4MPa和6.058MPa·m1/2。在真空条件下,分别经900℃、1150℃、1300℃和1400℃热处理,保温2h的热处理后结果表明:经900℃、1150℃,保温2h热处理后β-Sialon陶瓷的抗弯强度比未经热处理的有了较大幅度的提高,经1300℃、1400℃,各保温2h热处理后抗弯强度有所下降,但断裂韧性变化都不大,其中经1150℃,保温2h的热处理的陶瓷的抗弯强度和断裂韧性提高的最大,值分别为485.4MPa和6.42MPa·m1/2,而未经过热处理的分别只有329.4MPa和6.058MPa·m1/2。在空气的条件下,分别经900℃、1150℃、1300℃和1400℃,各保温2h热处理后结果表明:经900℃、1150℃,保温2h热处理后β-Sialon陶瓷的抗弯强度比未经热处理的有了大较幅度的提高,而经1300℃、1400℃,各保温2h热处理后抗弯强度有所下降,但断裂韧性变化不大,其中经1150℃,保温2h的热处理的陶瓷的抗弯强度和断裂韧性提高的最大,值分别为545.9MPa和6.51MPa·m1/2。在空气的环境下,经900℃、1150℃、1300℃和1400℃分别保温2h、4h、5h和7h热处理后结果表明:在900℃经不同时间热处理后,β-Sialon陶瓷的抗弯强度一直呈上升趋势;在1150℃和1300℃热处理时,以4h为折点抗弯强度呈先上升后下降趋势;在1400℃热处理时,抗弯强度一直呈下降趋势。在时间分别为2h、4h、5h热处理条件下,以1150℃为折点,抗弯强度呈先上升后下降趋势;在7h热处理条件下,抗弯强度一直呈下降趋势。在空气中,热处理后β-Sialon陶瓷的抗弯强度最高值达到610.3MPa比未经热处理的有了很大的提高。原因是由于β-Sialon陶瓷中的Si3N4与空气中的氧气反应生成SiO2,使得表面的微裂纹达到了较为理想的愈合效果,SiO2的生成量过多或过少都不能达到理想的微裂纹愈合效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 Sialon 陶瓷研究现状
• 1.2.1 Sialon 陶瓷的制备工艺
• 1.2.2 不同因素对Sialon 陶瓷的影响
• 1.2.3 烧结助剂对Sialon 陶瓷结构和性能的影响
• 1.2.4 磨削裂纹的形成过程
• 1.2.5 减少磨削对陶瓷表面损伤的措施
• 1.2.6 裂纹愈合机理的研究
• 1.2.7 裂纹愈合的影响因素
• 1.2.8 裂纹愈合对材料相关性能的影响
• 1.3 急待解决的问题
• 1.4 本论文的研究内容
• 第2章 Sialon 陶瓷制备工艺的设计
• 2.1 球磨工艺的设计
• 2.2 成型工艺的设计
• 2.3 烧结工艺的设计
• 2.4 烧结气氛的选择
• 第3章 试验材料设备及方法
• 3.1 试验原材料
• 3.2 试验设备
• 3.3 试验方法
• 3.3.1 Sialon 陶瓷制备的具体流程图
• 3.3.2 试样的热处理试验
• 3.4 试验结果表征
• 3.4.1 相对密度
• 3.4.2 抗弯强度
• 3.4.3 断裂韧性
• 3.4.4 XRD 分析
• 3.4.5 扫描电镜显微分析（SEM）
• 第4章 β-Sialon 陶瓷的配方优化
• 3N₄-AL₂O₃-ALN-Y₂O₃-ND₂O₃ 陶瓷的力学性能'>4.1 Si₃N₄-AL₂O₃-ALN-Y₂O₃-ND₂O₃陶瓷的力学性能
• 4.1.1 相对密度
• 4.1.2 抗弯强度
• 4.1.3 断裂韧性
• 3N₄-AL₂O₃-ALN-Y₂O₃-ND₂O₃ 陶瓷的结构及微观组织'>4.2 Si₃N₄-AL₂O₃-ALN-Y₂O₃-ND₂O₃陶瓷的结构及微观组织
• 3N₄-Al₂O₃-AlN-Y₂O₃-Nd₂O₃ 陶瓷的物相分析'>4.2.1 Si₃N₄-Al₂O₃-AlN-Y₂O₃-Nd₂O₃陶瓷的物相分析
• 4.2.2 组织结构分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 热处理对 β-Sialon 陶瓷力学性能的影响
• 5.1 不同热处理气氛的 β-Sialon 陶瓷力学性能
• 5.1.1 真空中热处理后β-Sialon 陶瓷的力学性能
• 5.1.2 空气中热处理2h 后β-Sialon 陶瓷的力学性能
• 5.2 热处理温度对 β-Sialon 陶瓷性能的影响
• 5.2.1 β-Sialon 陶瓷的XRD 分析
• 5.2.2 β-Sialon 陶瓷的抗弯强度分析
• 5.3 热处理时间对 β-Sialon 陶瓷性能的影响
• 5.3.1 β-Sialon 陶瓷的XRD 分析
• 5.3.2 β-Sialon 陶瓷的抗弯强度分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢