PDF《叶玉汉液相烧结碳化硅晶界内氮化反应的研究》

[研究简报] 液相烧结碳化硅晶界内氮化反应的研究 叶玉汉1 何帮顺2 王存宽1 (1.

宁波大学化学系, 宁波 315211;

2. 华东理工大学化学系, 上海 200237) 关键词 碳化硅;

氮化反应;

纳米尺寸微晶;

液相烧结 中图分类号 O

611 文献标识码 A 文章编号

025120790 (2002)

0320364203 收稿日期: 2001204229. 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 20072022) 资助. 联系人简介: 叶玉汉(1938 年出生) , 男, 教授, 主要从事无机材料化学研究. E2 m ail: yhyecm @nbu. edu. cn 碳化硅(SiC) 由于其高度的共价键结合特性而具有高硬度、耐磨性和高化学稳定性等优异性能而 成为热机、高温环境和化学化工等领域的研究应用对象 . 碳化硅材料的无压烧结最早是由 Prochazka [1 ] 实现的 .

20 世纪

80 年代初期, Omori [2 ] 通过采用氧 化物(A l2O 3, Y2O

3 和稀土氧化物等) 添加剂的手段大大降低了无压烧结的温度 . 这些氧化物具有较低 的共熔点, 在高温下易形成液相, 从而促进了碳化硅的晶粒重排和晶体生长 .

20 世纪

90 年代以来, 氮化物和氧化物的混合添加剂(如A l N 2Y2O 3) [3 ] 被广泛应用于碳化硅的液相 烧结 . 这是因为氮在碳化硅晶界内的存在有利于抑制高温烧结时氧化物和碳化硅的化学反应, 并且冷 却后形成的氮氧化物晶界相具有较高的软化温度, 有利于提高材料的高温机械性能 . 本研究仍以氧化物作添加剂, 首次以N

2 和CO 混合气作保护气氛, 研究了高温烧结时的晶界内氮 化反应过程, 提出了一种在碳化硅晶界内掺氮的新方法 .

1 实验部分 实验所用碳化硅为德国 Starck 公司生产的 Α 2SiC, 牌号A 210, 平均粒径 0.

51 Λ m , 含氧量质量分数 为0. 9%. 采用 Si O

2 作为唯一的烧结添加剂, 目的是排除其它金属元素对晶界反应可能造成的复杂影 响, 简化了晶界成分的分析步骤 . 加入 Si O

2 的质量分数为 10%. 粉体通过湿法球磨混合均匀, 经烘 干、过筛、干压成型后, 置于硅碳棒烧结炉内, 在1860 ℃ 烧结

30 m in. 保护气氛为 0. 1M Pa CO 和014 M Pa N

2 . 分别用 X 射线衍射谱(XRD ) 分析烧结体的晶体组成, 用透射电子显微镜(TEM ) 观察碳化硅晶界 的显微结构, 用电子能量损失谱(EEL S) 测定晶界内纳米尺寸的晶体成分 .

2 结果与讨论 在本实验条件下, 所得到的碳化硅烧结体的相对密度经测定为 95% , 烧结后的重量损失为 4. 3%. 文献[4 ]报道, 在1200 ℃以上, SiC 和Si O

2 将发生严重的高温分解反应: SiC+ Si O

2 Si O ↑+ CO ↑ 而且, 这一反应随时间延长, Si O

2 可能完全分解殆尽 . 而本实验在

1 860 ℃下烧结 30m in, 所得烧结体 仍具有较高的密度和较低的重量损失 . 由此可见, 一定分压CO 和N

2 的保护气氛可有效地抑制 SiC 和Si O

2 的高温分解反应 . XRD 分析结果表明, 碳化硅主晶相仍然是 Α 2SiC, 没有晶型转变. 未测到 Si O

2 晶体衍射峰的存在, 可见 Si O

2 已经在高温时全部液化, 冷却后凝固形成玻璃态物质 . 虽已观测到氮化反应的产物 Si2O 2N 的次晶相衍射峰, 但由于含量微小, 衍射峰不明显, 需要利用电镜作进一步确定. 图1的TEM 照片显示了碳化硅烧结体的微观结构, 从中可观察到晶体碳化硅和晶界中的玻璃态 Vol .

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