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        Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的力學性能

        2015-12-09 09:07:18李發(fā)亮張海軍張少偉
        機械工程材料 2015年2期
        關鍵詞:剛玉氮化抗折

        李發(fā)亮,孟 錄,張海軍,張少偉

        (武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,武漢430081)

        0 引 言

        Sialon陶瓷材料以其優(yōu)越的力學性能、熱學性能和化學穩(wěn)定性,被認為是最有希望的高溫結構陶瓷之一[1-3]。隨著工業(yè)技術的發(fā)展,單相Sialon陶瓷的性能已經(jīng)難以滿足日益苛刻的使用條件,越來越多的研究工作集中在復合Sialon陶瓷材料上[4-6]。Me-α-Sialon(MexSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n,x=m/p)是α-Si3N4的固溶體。其中,Me代表補償電價不平衡的金屬陽離子;m為被Al-N鍵取代的Si-N鍵的數(shù)量;n為被Al-O鍵取代的Si-N鍵的數(shù)量;p為添加離子的價態(tài)。價態(tài)為p的金屬離子的進入補償了由Si-N鍵取代Al-N鍵造成的電價不平衡[7]。Ca-α/β-Sialon復合材料兼具 Ca-α-Sialon高硬度和β-Sialon高強度的特點,有望作為高性能的陶瓷材料加以應用。Ca-α-Sialon的晶粒呈柱狀,與α-Sialon相比,其斷裂韌性相對較好。同時,Ca-α-Sialon具有固溶度范圍大、高溫穩(wěn)定性好、制備成本低等優(yōu)點[8-10]。

        Sialon結合剛玉復合材料已經(jīng)廣泛應用于高爐陶瓷杯等。文獻[11]的研究結果表明,β-Sialon結合剛玉復合材料呈保護型氧化,其抗K2CO3侵蝕性能比剛玉磚和高鋁磚要好得多。劉雄章等[12]的研究結果表明,當β-Sialon的固溶度在2.5~2.75之間時,所制備的β-Sialon結合剛玉制品的強度和抗氧化性能較佳。李亞偉等[13]的研究結果表明,當β-Sialon的固溶度在1.5~2.5之間時,Sialon結合剛玉復合材料具有優(yōu)良的抗堿腐蝕性能。為進一步研究Sialon結合剛玉復合材料,作者采用氮化反應的方法制備了Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料(以下稱復合材料),并研究了復合材料的高溫力學性能。

        1 試樣制備與試驗方法

        1.1 試樣制備

        以硅粉(d50為43μm,純度大于99%)、鋁粉(d50為64μm,純度大于99%)、α-Al2O3粉(粒徑小于5μm,純度大于99%)和CaCO3(分析純)為原料,Y2O3(化學純)為添加劑,按表1所示配比稱取配料,混合后置于氮化爐中,向氮化爐充入氮氣,氮氣流量為200L·h-1,在1 550℃下保溫12h進行氮化反應制備得到Ca-α/β-Sialon粉體材料。

        表1 制備Ca-α/β-Sialon的原料和添加劑配比(質量分數(shù))Tab.1 Proportion of raw materials and additive for Ca-α/β-Sialon(mass) %

        設計復合材料中Ca-α/β-Sialon的質量分數(shù)分別為15%,20%及25%,各試樣的組成配比見表2。按表2的配比將電熔白剛玉顆粒和合成Ca-α/β-Sialon 的Al2O3細粉,按從粗到細的順序加入到攪拌機內,同時加入質量分數(shù)4%的酚醛樹脂,攪拌20~30min。困料24h后,在150MPa壓力下機壓成尺寸為25mm×25mm×130mm的試樣,試樣于110℃干燥24h。干燥后置于氮化爐中在1 550℃氮化反應12h得到 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料。

        表2 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料試樣的原料配比(質量分數(shù))Tab.2 Raw material ratios of Ca-α/β-Sialon bonded corundum composites(mass) %

        1.2 試驗方法

        用PHILIPS X′Pert Pro型 X 射線衍射儀(銅靶Kα輻射,硅粉為內標,波長為0.154 18nm)測定試樣的物相組成。采用JSM-5160LV型掃描電子顯微鏡觀察其顯微結構,微區(qū)元素分析采用NCA 2000型能譜分析儀。采用三點彎曲法在HMORSTRAING型抗折試驗儀上測復合材料的室溫及高溫抗折強度,試樣尺寸25mm×25mm×130mm,測高溫(600~1 400 ℃)抗折強度時,1 000 ℃以前的升溫速率為5℃·min-1,1 000℃以后為4℃·min-1;并根據(jù)公式(1)計算抗折強度。

        式中:R為抗折強度,Pa;W 為斷裂時施加的最大載荷,N;l為兩支點間的距離,cm;b為試樣的寬度,cm;d為試樣的厚度,cm。

        2 試驗結果與討論

        2.1 Ca-α/β-Sialon粉的相組成及微觀形貌

        由圖1可以看出,制備的Ca-α/β-Sialon粉的主晶相為α-Sialon相,次晶相為β-Sialon相,材料純度較高,沒有雜相生成。根據(jù)各物相衍射峰的積分面積可估算出α-Sialon和β-Sialon的質量分數(shù)分別為56%和44%。

        圖1 Ca-α/β-Sialon粉的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Ca-α/β-Sialon powders

        根據(jù)文獻[14]以及單質硅和鋁的氮化行為,反應體系中可能發(fā)生的化學反應有:

        2Al+N2=2AlN[FH] (2)

        CaCO3=CaO+CO2[FH] (3)

        3Si+2N2=α-Si3N4[FH] (4)

        AlN+Si3N4+Al2O3=β-Sialon[FH] (5)

        β-Sialon+CaO=Ca-α-Sialon[FH] (6)

        在900℃左右鋁粉氮化,生成AlN;1 150℃左右,CaCO3分解;1 200 ℃ 左右,硅粉 氮 化 生 成 α-Si3N4;1 250℃左右,CaO 同 Al2O3以及硅粉表面的SiO2形成液相[15];1 400 ℃左右開始出現(xiàn)β-Sia-lon相,1 500℃體系為β-Sialon和低共熔液相的混合物,1 550℃時Ca2+開始固溶進β-Sialon晶格,形成Ca-α-Sialon。

        從圖2中可以看出,制備的Ca-α/β-Sialon粉中,既有等軸狀的α-Sialon晶粒,同時還存在大量長柱狀的β-Sialon晶粒,其長為0.5~4μm,長徑比分布在3~10之間。在氮化反應制備Ca-α/β-Sialon粉的過程中,過量的CaO和Y2O3添加劑的存在有助于在體系中形成充足的液相,加快α-Si3N4的溶解,減少α-Sialon的成核幾率,增加長顆粒狀晶粒的形成[16]。

        圖2 Ca-α/β-Sialon粉的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of Ca-α/β-Sialon powders

        2.2 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的物相與性能

        由圖3可以看出,Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的主晶相為剛玉,次晶相為β-Sialon,并含有少量的α-Sialon,無其他物相的存在。復合材料中β-Sialon和α-Sialon的晶粒形貌與 Ca-α/β-Sialon粉中的相比,并沒有發(fā)生改變,圖略。根據(jù)圖3中各物相衍射峰的積分面積,可近似計算出試樣中各物相的質量分數(shù),結果見表3。由表可知,Sialon的實際含量與理論設計值基本吻合。

        圖3 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的XRD譜Fig.3 XRD patterns of Ca-α/β-Sialon bonded corundum composites

        由表4還可以看出,隨著Sialon含量的增加,復合材料的體積密度降低,氣孔率增加,常溫抗折強度升高。這些現(xiàn)象表明,β-Sialon的加入可以提高復合材料的強度。

        表3 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的物相組成(質量分數(shù))Tab.3 Phase Compositions of Ca-α/β-Sialon bonded corundum composites(mass) %

        表4 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的性能Tab.4 Properties of Ca-α/β-Sialon bonded corundum composites

        從圖4可以看出,三種試樣的抗折強度隨著溫度的升高先提高后降低,1 000℃時達到最大值(25MPa);且超過1 000℃以后,其抗折強度急劇下降,1 400℃時僅為5MPa左右。

        圖4 Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料抗折強度與溫度的關系Fig.4 High temperature modulus of rupture of Ca-α/β-Sialon bonded corundum composites

        耐火材料強度隨溫度的變化規(guī)律原則上可分為兩種類型。一類隨著溫度的升高,材料的強度先逐漸增加,到達某一轉折溫度時,發(fā)生迅速下降;另一類隨著溫度的升高,材料的強度先緩慢下降,到達某一溫度后,急劇下降[17-18]。Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的抗折強度隨溫度的變化規(guī)律屬于第一種情況。

        由于Ca-α/β-Sialon和剛玉的熱膨脹系數(shù)差別較大,降溫過程中,剛玉顆粒具有較大的體積收縮率。當基質與顆粒的結合較緊密時,體積收縮率的差別不足以使兩者之間發(fā)生分裂,但會使顆粒與基質間形成拉應力。材料受到三點彎曲作用時,由于底面承受的是張應力,所以材料從底面開始發(fā)生斷裂。因此,如果材料內部已經(jīng)有殘余拉應力,勢必會降低材料的強度。在加熱的過程中,材料內部的拉應力會得到部分或者全部的釋放,從而使復合材料的強度得到提高。當顆粒與基質結合不夠緊密時,降溫過程中顆粒周圍會產(chǎn)生裂隙,也會殘留拉應力。升高溫度會使裂隙得到一定程度的彌合,釋放殘余應力,同樣也提高了材料的強度[19]。除此之外,在溫度升高的過程中,材料受到一定程度的再燒結,也提高了材料的強度。在高溫下,復合材料中非晶相的黏度下降,在外力作用下,其內部的顆粒間會產(chǎn)生相對滑移,致使材料的強度急劇降低[20-21]。

        3 結 論

        (1)以硅粉、鋁粉、α-Al2O3、CaCO3為主要原料,以Y2O3為添加劑,1 550℃下通過氮化成功制備了Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料。

        (2)Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料中存在大量的長柱狀β-Sialon晶粒,其長為0.5~4μm,長徑比為3~10。

        (3)隨著 Sialon含量的增加,Ca-α/β-Sialon結合剛玉復合材料的體積密度降低,氣孔率增加,常溫抗折強度升高;隨著溫度的升高,復合材料的抗折強度先升高后急劇降低,在1 000℃時達到最大值。

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