氮化硅陶瓷改性和构件精密成型

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1、摘要氮化硅和氮化硅／碳化硅是近年来被广泛研究和使用的高温结构陶瓷材料，具有耐高温、抗氧化、导热率高、抗热震性能好等优点，在铝合会熔炼行业具有广泛的应用静景。本论文针对三种典型构件，通过成分设计和模具设计，采用冷等静压一反应烧结的方法制备了性能优异的氮化硅陶瓷和氮化硅／碳化硅陶瓷。采用三点弯曲、XRD、sEM和EDS等方法和设备对材料的微结构、相组成和力学性能进行了分析和测试，主要研究内容和结论如下：(1)研究a—SiC的添加对Si3NdSiC陶瓷复合材料各项性能的影响。以工业硅粉和a．SiC粉为原料

2、，6，5％的酚醛树脂为粘结剂，配成SiC含量为10％、30％、50％和70％的四组试样，经冷等静压一反应烧结制备了Si3N4／SiC陶瓷复合材料。实验结果表明：随着粉木中SiC含量的增加，材料烧结后的体积密度从2．419／cm3下降到2．239／era3，显气孔率从17．6％上升到28．8％，室温抗弯曲强度分别为109MPa、92MPa、63MPa和37MPa。经50次800℃至室温空冷热震后，四组材料强度保持率分别为78％、104％、106％和89％。制备出的Si3N4／SiC陶瓷中，Si3N4主

3、要以针状晶和等轴晶形式存在，氮化率随SiC添加量的增加而提高。(2)研究c【一SbN4的添加对Si粉烧结产物性能的影响。以工业Si粉和小Si3N4粉为原料，PVA为粘结剂，配成d—Si3N4含量为10％、20％、30％和40％的四组试样，采用冷等静压一反应烧结制备了氮化硅陶瓷。结果表明：随着粉术中Si3N4含量的增加，烧结后材料内部残馨硅的量降低，材料体积密度从2．279／cm3下降到2．049／cm3，显气孔率从23％上升到33．8％，室温抗弯曲强度分别为119MPa、112MPa、146MPa和

4、113MPa。经50次800。C至室温空冷热震后，四组材料的强度保持率分别为82％、90％、87％和88％。制备出的si3N4陶瓷中，si3N4主要以针状晶和等轴晶形式存在。随a．si3N4添加量的增加，氮化率提高，氮化硅针状晶含量增加，显微结构逐渐均匀。(3)研究三种复杂氮化硅陶瓷构件的近尺寸成型。通过对工装的改进和成型过程的有限元模拟，确定了三种典型构件的成型方案，设计了成型模具，成功实现了复杂形状的坯体的近尺寸成型。关键词：SiC，Si3N4，冷等静压，反应烧结，力学性能，热震ABSTRACT

5、Si3N4andSi3N4／SiCarehightemperaturestructuralceramicswidelyresearchedandappliedinrecentyears．Theyhaveexcellentpropertyofthermostability,inoxidizability,thermalshockresistanceandthermalconductivity．SotheyarewidelyusedinAluminummeltingfield．Aimedatthreet

6、ypicalcomponents，bycompositiondesignandmoulddesign，Si3N4andSi3N4／SiCceramicswithhighperformancewerepreparedbyColdIsostaticPressing(CIP)andreactivesintering，Microstructure，phasecompositionandmechanicalpropertywereinvestigatedbymethodsofthree—pointbendin

7、g，XRD，SEMandEDS，eta1．Thethermalshocktestwascarriedoutinatemperaturerangefrom800"Ctoroomtemperature．Themainresearchcontentsandconclusionsareasfollows：(1)AseriesofSisNjSiCcompositeswerepreparedbyColdIsostaticPressingandreactivesinteringwithindustrialSian

8、dSiCpowderTheproportionsofSiCpowderintheinitialmixtureswere10％t30％，50％and70％，respectively，whiletheamountofphenolicresinadhesivef6．5wt％ofthepowdermixture)waskeptconstant．Theresultsobtainedshowedthat，asSiCadditxonincreasedintheinitialmixt