趙君紅 王瑞生

(河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北唐山 063009)

Z=3的β－Sialon陶瓷材料的制備*

趙君紅 王瑞生

(河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北唐山 063009)

以金屬硅粉、金屬鋁粉、輕燒氧化鋁粉，添加Fe2O3、Si3N4、廣西粘土等燒結(jié)助劑，采用金屬過渡相工藝制備Z=3的β－Sialon陶瓷材料。研究了球磨時間、Si的含量、燒結(jié)溫度對制備β－Sialon的影響。研究結(jié)果表明，延長球磨時間，提高燒結(jié)溫度有助于 β－Sialon粉體的生成，增加Si粉含量對于純化粉體作用不明顯，合成β－Sialon的實際Z值小于理論Z值。

β－Sialon 金屬過渡相 影響因素

前言

β－Sialon是Sialon系列中抗氧化性能、耐高溫性能和熱穩(wěn)定性最佳的一種固溶體［1～3］線膨脹系數(shù)為(2～3)×10－6/℃，略低于β－Si3N4，而熱導(dǎo)率比β－Si3N4要低得多，并且具有優(yōu)良的抗熱震性、抗熔鐵性和熔渣侵蝕性;β－Sialon因保持有氮化硅的晶格，所以具有良好的機械強度、硬度等物理特性［4～5］。

目前，合成β－Sialon的方法主要有高溫固相反應(yīng)法、自蔓延高溫合成法(SHS)［6］、碳熱還原氮化合成法［7～9］、金屬過渡相工藝合成法。其中，金屬過渡相工藝即由金屬Si(Si和Al)和氧化物在氮氣氛下通過氮化燒結(jié)直接制備β－Sialon陶瓷材料。金屬只是個過渡相，在制備過程中逐漸轉(zhuǎn)化為增強相，在這里的增強相為Si3N4，而后再轉(zhuǎn)化為 β －Sialon［10］。筆者以金屬硅、鋁、氧化鋁為原料合成Z=3的β－Sialon陶瓷材料，研究工藝條件對合成β－Sialon的影響。

1 試驗

1.1 工藝過程

金屬硅粉、鋁粉、輕燒氧化鋁粉(200目)、燒結(jié)助劑→干混(行星式球磨機)→加結(jié)合劑→陳腐→成形→干燥→燒成(氣氛電爐)→試樣性能測試。

1.2 原料與配方

以金屬硅粉、金屬鋁粉、輕燒氧化鋁粉為主要原料，F(xiàn)e2O3、Si3N4、廣西粘土為燒結(jié)助劑，制備Z=3的β－Sialon陶瓷材料，主要原料的化學(xué)組成見表1。

表1 主要原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

合成的配料按 Z=3計算，3Si+Al+Al2O3+2.5N2(g)=Si3Al3O3N5，各原料實驗配方見表2。A配方是按照方程式理論計算得出的;B配方是在理論計算的基礎(chǔ)上反應(yīng)原料增加燒結(jié)助劑的配方。

表2 各原料試驗配方(質(zhì)量%)

1.3 試樣制備

按配方稱取各種原料，以剛玉球為研磨介質(zhì)，在行星式球磨機中干混0.5 h和1.5 h。混合完成后，加入6%的PVA結(jié)合劑，陳腐12 h，用手壓成形試樣。試樣放入烘箱中于110℃，干燥24 h，在SGM6816A型氮化氣氛爐中燒成，燒成溫度分別為1 500℃和1 550℃，保溫6 h，N2流量小于 0.2m3/h。

1.4 測試

用D/MAX2500PC型X射線衍射儀(XRD)，鑒定制備產(chǎn)物的物相組成。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

將原料球磨0.5 h，在1 500℃氮化燒結(jié)、保溫6 h、氮氣流量小于0.2m3/h的條件下，按照A、B配方燒成試樣的XRD圖見圖1。由圖1可知，2種配方制備的試樣，都生成了β－Sialon，且β－Sialon為主晶相，都含有少量的Al2O3和Si3N4。但是相對于A配方，B配方的Al2O3和Si3N4的相對強度明顯比A配方中的相對強度低。這是因為B配方反應(yīng)在A配方的基礎(chǔ)上，相應(yīng)的增加了少許燒結(jié)助劑，A配方合成粉料中含有較多未反應(yīng)的氧化鋁，因此B配方適當(dāng)增加Si、Al、Al2O3的量，反應(yīng)按下面反應(yīng)式進行：

Si、Al反應(yīng)生成的Si3N4、AlN與未反應(yīng)的Al2O3形成Si3Al3O3N4，使得殘余的Al2O3量減少，所以B配方合成粉體效果要好于A配方。

圖1 A、B配方燒成試樣的XRD圖

2.2 球磨時間的影響

圖2 B配方試樣不同球磨時間試樣的XRD圖

將B配方原料分別球磨0.5 h和1.5 h，在1 500℃氮化燒結(jié)、保溫6 h，制備試樣，B配方試樣在不同球磨時間的XRD圖見圖2。由圖2可知，當(dāng)球磨時間為0.5 h和1.5 h時，生成粉體中β－Sialon為主晶相，含有少量氧化鋁相和氮化硅相。球磨1.5 h的試樣中Al2O3和Si3N4的相對強度要明顯低于球磨時間為0.5 h的試樣。說明增加球磨時間，可以使原料混合更加均勻，使反應(yīng)物顆粒尺寸減小，表面積增大，促進燒結(jié)反應(yīng)進行，有利于Al2O3充分固溶，促進β－Sialon的生成。

2.3 Si含量的影響

將原料球磨1.5 h，在1 500℃氮化燒結(jié)、保溫6 h，將B配方中Si的含量分別增加0、5%、10%。B配方中不同Si含量的XRD圖見圖3所示。由圖3可知，3個不同Si含量的XRD圖譜中主晶相都為β－Sialon。且含有少量Al2O3和Si3N4相，隨著Si含量增加，Al2O3相相對強度依次減小，但減小幅度不大，Si3N4相基本不變。增加Si的含量就是為了使Si與N2反應(yīng)生成Si3N4，Si3N4再與未反應(yīng)的Al2O3發(fā)生反應(yīng)，從而達到純化粉體的目的。但增加Si的量對減小Al2O3相含量不明顯，這是由于，Al2O3固溶于Si3N4中，需要一定的能量，在低于這個能量時，單純增加Si的量來減少未反應(yīng)氧化鋁量就表現(xiàn)得不太理想。

圖3 B配方中不同Si含量的XRD圖

2.4 燒結(jié)溫度的影響

圖4 B配方不同燒結(jié)溫度的XRD圖

B配方中Si含量增加10%，球磨1.5 h，氮化燒結(jié)溫度分別為1 500℃和1 550℃，保溫6 h，B配方不同燒結(jié)溫度的XRD圖見圖4。由圖4可知，在1 500℃和1 550℃時，2種試樣都生成了β－Sialon，且為主晶相。由圖4中衍射峰可以看出，在1 550℃時，氧化鋁相和氮化硅相相對強度明顯減小，Al2O3和Si3N4得到了進一步的反應(yīng)。這是因為，燒結(jié)溫度上升，提高了反應(yīng)能量，使得Al2O3能進一步固溶進Si3N4中。通過下面的公式可以計算β－Sialon相的相對含量。

式中：Ai——β－Sialon最強峰的相對積分面積;

Aij——試樣中所有物相的最強峰的相對積分面積之和。

通過XRD分析軟件計算峰的積分面積，得出β－Sialon的相對含量為 1 550℃ 時：w%=Ai/ΣAij=87.87%;β－Sialon的相對含量為1 500℃時：w%=75.93%。通過計算得出，在1 550℃時β－Sialon的相對含量要高于1 500℃時的相對含量。因此增加燒結(jié)溫度能夠促進β－Sialon的生成。

2.5 實際Z值的確定

使用MDIJade軟件計算出β－Sialon粉體的晶格常數(shù)a和c，合成β－Sialon的固溶度Z值用下式計算：

式中：a和c——晶格常數(shù);

Za+Zc——用晶格常數(shù)a、c計算的固溶度。

通過計算Z為2.75，實際Z值要小于理論Z值，分析原因是由于Al2O3沒有充分固溶，這也與物相分析有少量Al2O3相吻合。

3 結(jié)論

1)采用金屬硅粉、金屬鋁粉、氧化鋁粉，并添加少量的燒結(jié)助劑Fe2O3、Si3N4和廣西粘土，經(jīng)金屬過渡相工藝氮化以β－Sialon為主晶相，制備出了β－Sialon陶瓷材料。經(jīng)過計算，β－Sialon粉體的Z值為2.75，略低于理論 Z值3。

2)試驗結(jié)果證明，提高球磨時間、提高燒結(jié)溫度，可以促進未反應(yīng)的Al2O3和Si3N4進一步固溶，有利于β－Sialon相的生成。

1 王黎.Al2O3－Si－Al系統(tǒng)中原位合成Sialon的動力學(xué)研究：［學(xué)位論文］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2003

2 王瑞生，谷小華，范增為.用廣西高嶺土制備β＇－Sialon材料研究.非金屬礦，2007，30(1)：20 ～22

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10 洪彥若，孫加林，等.非氧化物復(fù)合耐火材料.北京：冶金工業(yè)出版社，2003

Preparation ofβ－Sialon Ceram ic M aterials w ith Z=3

Zhao Junhong，Wang Ruisheng(School of Material Science and Engineering，Hebei United University，Hebei，Tangshan，063009)

β － Sialon has been synthesized by Si、Almetal transient phase process usingmetallic Si、Al powders and light fire Al2O3powders as raw materals and silicon nitride(Si3N4)、Fe2O3and Guangxi clay as sintering aid.The effects ofmilling time and silicon quantities and sinter temperature on synthesis ofβ －Sialon were studied.The ruslts show that prolonged themilling time and increased the sinter temperature led to the remarkable enhancementeffect in the synthesis ofβ － Sialon.However，no obvious influencewas observed when increased the silicon quantities .The fact Z value less than the frame of reference Z value.

β － Sialon;Metal transient phase process;Effect of factors

TQ174.1+2

A

1002—2872(2011)05—0015—03

趙君紅(1986－)在讀碩士研究生;研究方向為高溫結(jié)構(gòu)材料的制備與性能的研究。E－mail：zhaonihao.2000@163.com