（材料学专业论文）矾土基βsialon结合刚玉复合材料的制备、结构及性能研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 本文研究了以高铝矾土、s i 、电熔自刚玉颗粒及细粉和部分添加剂为原料， 氮气气氛下通过反应烧结的方法一步制备矾土基p - s i a l o n 结合刚玉复合材料的 工艺。研究结果表明，流动氮气气氛下1 5 0 0 4 c 5 h 反应烧结可以得到主晶相为剐 玉、次晶相为b s i m o n 的矾土基p s i a l o n 结合刚玉复合材料，无其他晶相生成。 用逐次回归的方法得到了常温抗折强度、体积密度及显气孔率与与颗粒级配间的 函数式，其回归效果良好，可信度高，可用于预报反应烧结法制各矾土基1 3 - s i a l o n 结合刚玉复合材料的常温物理性能。得到了较理想的颗粒级配：刚玉粗颗粒4 5 、 中颗粒1 0 、细粉4 5 ( 其中刚玉细粉2 5 ，合成矾土基1 3 - s i m o n 的细粉为2 0 ) 。 用酚醛树脂作结合剂，显微结构表明，复合材料中生成大量矾土基1 3 - s i a l o n 晶须， 并互相编织成网络结构。根据前面的工艺得到的矾土基p - s i a l o n 结合剐玉复合材 料的常温性能为：体积密度 2 9 9 c m 3 ，显气孔率电l ，抗折强度- 1 5 m p a 。 矾土基b s i a l o n 结合刚玉复合材料的高温力学性能研究结果表明：矾土基 p s i a l o n 含量在2 5 和3 0 时，复合材料的强度在8 0 0 以前逐渐增加，8 0 0 1 4 0 0 基本保持不变。应力应变关系随温度的变化规律表明8 0 0 以前为弹性变形阶 段，1 4 0 0 以前没有出现快速流动，说明复合材料中结晶效应占主导地位。 矾土基f 3 - s i a l o n 结合剐玉复合材料的抗热震性能较好，矾土基1 3 - s i a l o n 含量 为2 5 时，其热震临界温度为6 0 0 ，热震温差为1 3 5 0 c 时其残余强度保持率仍 然有6 5 ；而相同条件的氧化铝基b s i a l o n 结合刚玉复合材料的临界温差为 8 0 0 ，但温差为1 3 5 0 ( 2 时的强度保持率比矾土基b s i a l o n 结合刚玉复合材料的 低1 0 个百分点。 矾土基b s i a l o n 结合同4 玉复合材料的氧化属保护性氧忙实验条件下，矾土 基1 3 - s i a l o n 结合剐玉复合材料的氧化动力学可分为两个阶段：6 0 分钟以前，单 位面积氧化增重与时间呈线性关系，属于化学反应与扩散过程共同控速。6 0 分 钟以后，单位面积氧化增重的平方与时间呈线性关系，属于扩散控速阶段。 1 2 5 0 1 3 5 0 ( 3 范围内温度上升，矾土基1 3 - s i a l o n 结合刚玉复合材料的氧化速率减 小。而同样条件下氧化铝基p - s i a l o n 结合刚玉复合材料的变化趋势正好相反。推 郑州大学硕士学位论文 导了各阶段的氧化动力学模型。 与高铝砖和刚玉砖相比，矾土基8 - s i a l o n 结合刚玉复合材料的抗k 2 c 0 3 侵蚀 性能优异。 关键词：矾土基b s i a l o n刚玉复合材料高温力学性能 i i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e p a r a t i o n o fb a u x i t eb a s e d p s i a l o n b o n d e dc o r u n d u mc o m p o s i t e ( b s c ) t h r o u g hr e a c t i v es i n t e r i n g w e r e i n v e s t i g a t e d , u s i n gb a u x i t e ，s i l i c o n , f u s e d w h i t e c o r u n d u mg r a m s ，a n da d d i t i v e sa st h er a wm a t e r i a l s x r dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m a i nc r y s t a lp h a s ew a sc o r u n d u mi nt h es p e c i m e n ss i n t e r e da t1 5 0 0 cf o r5h o u r s u n d e r f l o w i n gn i t r o g e na t m o s p h e r e ，a n d t h eo t h e r p h a s e w a s 1 3 - s i a l o np h a s e s t e p w i s er e g r e s sm e t h o dw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t er e l a t i o n s h i p b d 婶垤：e ng r a ms i z e g r a d i e n t a n d s i n t e d n gp r o p e 坩e s o fb s c ，a n df u n c t i o n sw e e s t a b l i s h e d t h e f u n c t i o n sf i tc l o s ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc a nb eu s e df o rf o r e c a s t i n g p r o p e r t i e s o fb s ca tr o o m t e m p e r a t u r e s u i t a b l eg r a i n s i z eg r a d i e n tf o rp r e p a r a t i o no f b s cw a s4 5 w t c o r r s e - g r a i nc o r u n d u m ，10 m i d d l es i z ec o r u n d u m ，a n d4 5 p o w d e r s ( i n c l u d e2 5 c o r l m d u mp o w d e ra n d2 0 p o w d e r sf o rt h es y n t h e s i s o f b - s i a l o ni n v o l v e d ) i n t e r w o v e ns t r u c t u r ec o u l d b ef o u n di nc r a c k e ds u r f a c eo fb s c b y s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，w h e nu s i n gb a k e l i t ea st e m p o r a r yb e n d e r a c c o r d i n g t ot h ep r o c e s sa b o v e ，b s cw e r eg o tw i t hb u l kd e n s i t y 2 9 9 c m 3 ，a n da p p a r e n t p o r o s i t y 2 1 a n d m o d u l n s o f r u p t u r e ( m o r , a tr o o mt e m p e r a t u r e ) 1 5 m p a o rs o r e l a t i o n s h i p o fh t - m o r b s i a l o n b o n d e dc o r u n d u m c o m p o s i t e s w i t h t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o mr o o mt e m p e r a t u r eu pt o 1 4 0 0 cw e r es t u d i e d r e s u l t s s h o w e dt h a tw h e nt e m p e r a t u r er i s e df r o mr o o mt e m p e r a t u r et o8 0 0 。c ，m o ro ft h e c o m p o s i t e si n c r e a s e d t ot h e t o pa t2 0 m p a _ w h e n i tw a si nr a n g eo f8 0 0 ct o1 4 0 0 c m o r h o l d i n ga l m o s t l y t h es a m ev a l u ea st h a ta t8 0 0 cf o r2 5 a n d3 0 肛s i a l o n c o n t a i n e ds p e c i m e n s i nc a s eo f t h ec o m p o s i t ew i t h2 0 1 3 - s i a l o n ，m o r r e d u c e ds l i g h t l yw i t ht h er i s eo f t e m p e r a t u r ea f t e r8 0 0 c h o w e v e r , w h i c hs t i l lh i g h e r a t1 4 0 0 ct h a nt h a ta tr o o m t e m p e r a t u r e f r o mr o o mt e m p e r a t u r et o 8 0 0 ，s t r e s s s t r a i n c u r v e so fb s i a l o nb o n d e d c o n l l l d u me x h i b i t e de l a s t i cd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r w h e n t e s t i n gt e m p e r a t u r e i s b e t w e e n1 0 0 0 t o1 4 0 0 p a m e m e n td e f o r m a t i o nw e r ed e t e c t e d i tm e a n st h a tt h e c o m p o s i t e sw e r e i n p l a s t i c f l o wr a n g e t h e s ea l s o p r o v e d t h a tt h e c o m p o s i t e s i i i 郑州大学硕士学位论文 c o n t a i n e dj u s tl i t t l el i q u i dp h a s e ，a r i dc r y s t a le f f e c tv c a st h em a i nf a c t o rf o rh i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h 肛s i a l o n b o n d e dc o r u n d u m c o m p o s i t e sd i s p l a y e dg o o d t h e r m a ls h o c k r e s i s t a n c e ( t s r ) p r o p e r t i e s w h f f t lb - s i a l o n - c o n t a i n i n gp e r c e n t a g ew a s2 5 ，c r i t i c a l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ef o rb s cw a s6 0 0 c ，a r i da s c ，8 0 0 1 2 b u tw h e nt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew a s1 3 5 0 c ，r e s i d u a ls t r e n g t hr a t i oo f b s c w a s 6 5 ，h o w e v e r i t w a s5 5 f o r a s c o x i d a t i o nb e h a v i o ro fb - s i a l o nb o n d e dc o r u n d u mc o m p o s i t e sw e r es t u d i e d o x i d a t i o np r o c e s so fb s cw a sap r o t e c t i v eo n e o x i d a t i o nk i n e t i cc o u l db ed i v i d e d i n t ot w or a n g e t h a t i s , w h e no x i d a t i o nt i m e i su n d e r6 0 m i n u t e s ，q u a d r a t i c p o l y n o m i a lo f w e i g h tg a i np e ru n i ta r e ae x h i b i t e d a s t r a i g h tl i n er e l a t i o n s h i p 、衍t ht i m e i nm i n u t e w h e no x i d a t i o nt i m ei sl o n g e rt h a n6 0 m i n u t e s ，p a r a b o l i cr e l a t i o nb e t w e e n s q u a r eo fw e i g h tg a i np e ru n i ta r e aa n dt i m ew a sd i s c o v e r e d c o n s t a n tr a t e so ft h e k i n e t i cm o d e lw e r ee v a l u a t e df r o mt h ec u r v e s o x i d a t i o ns p e e dd e c r e a s ew i t ht h e a s c e n d i n go f t e m p e r a t u r ef o rb s c w h e n t e s t i n gt e m p e r a t u r ei s1 2 5 0 ( 2t o1 3 5 0 c ，a n d o p p o s i t er e s u l tw a sg o tf o ra s c o x i d a t i o nm o d e l sw e r ed e d u c e d c o m p a r i n g 谢t h1 1 i g ha l u m i n am c k a n dc o r u n d u mm c k b s c d i s p l a y e dm u c h b e t t c r p r o p e r t y o f k 2 c 0 3 - e r o s i o n r e s i s t a n c ea t1 3 0 0 c k e y w a r d s ：b a u x i t e b a s e d 争s i a l o n c o r u n d u m c o m p o s i t e s h i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t h i v 郑州大学硕士学位论文 1 前言 耐火材料是高温技术的基础材料【1 】，是冶金工业和其他高温工业的“支撑工 业，和“先行工业，嘲，被称为“隐藏着的工业”【3 】，广泛应用于冶金、建材、石化、 机械及原子能等行业。因此，耐火材料工业在国民经济中占有重要的地位。 钢铁行业消耗耐火材料的量最大，占生产总量的7 0 左右。钢铁工业技术的 发展对耐火材料提出了更高的要求，促使耐火材料自身也发生了深刻的变革，经 历了以氧化物和硅酸盐材料为主到氧化物与非氧化物并重的转变，并有向氧化物 与非氧化物复合的方向发展。综合考虑耐火材料的高温强度、抗热震性、抗氧化 性、抗侵蚀性等高温使用性能，氧化物非氧化物复合材料有望成为耐火材料发 展的一个重要方向。 s i m o n 是s i 3 n 4 - s i 0 2 - a i n a 1 2 0 3 体系中一系列固溶体总称，最早的研究报道 始于2 0 世纪7 0 年代【4 5 1 。b s i m o n ( s i 弛a j ：0 z n 她，0 1 7 9 0 1 0 0 m a 0 5 l 1 7 0 0 刚玉质耐火材料的致命弱点就是它的抗热震性能差。抗热热震差的原因是由 于刚玉的热膨胀系数高，因此通常采用加入其他的组分的方法解决。炼钢连铸系 统使用a 1 2 0 3 一c 、a 1 2 0 ，- z r 0 2 c 质滑板已取得显著成效。s i a l o n 材料的膨胀系数 低，且抗侵蚀性能良好，以s i a l o n 结合刚玉也可以增强刚玉耐火材料的高温性能。 2 4 s i a l o n 材料 s i a l o n 是2 0 世纪7 0 年代j a c k 和小山阳一同时发现的。s i a l o n 陶瓷以其优异 的热学性能、力学性能、机械性能以及抗化学侵蚀性能而倍受关注。此后，材料 工作者对s i a l o n 的晶体结构、相组成、制备方法及性能等方面作了大量的研究， 现简单汇总如下。 郑州大学硕士学位论文 2 4 i s i m o n 的结构、性能 从图2 1 中我们可以看出，s i a l o n 是处于s i o z - s i 3 n 4 - a 1 2 0 3 舢n 系统中的一 系列物相的总称。在该体系中，有以下几种物相：a - s i a l o n 、p - s i a l o n 、o - s i a l o n 、 x 相以及靠近a 1 n 的多型体2 h 6 、8 h 、1 2 h 、1 5 r 、2 1 r 和2 7 h 。需特别指出 的是，这些化合物并没有唯一确定的组成，而是有一个存在区域。过去研究较为 广泛并且应用较多的是n s i m o n 、b s i m o n 、o - s i m o n 以及它们间组成的两相复 合材料。 a h _ “ b 围2 1s i o z - - s i 3 n 4 - a 1 2 0 3 - a i n 系统( a ) 1 7 0 0 和( b ) 1 4 0 0 c 截面图 f i 9 2 1p h a s e s 缸s l o t s i 3 n r a l 2 0 r a i ns y s t e m a t1 7 0 0 c ( a ) a n d1 4 0 0 c na - s i m o n a s i m o n 是m 个舢- n 和1 1 个舢o 取代了a - s i a n 4 中的( m + n ) 个s i - n 形成 的，组成式为m x s i l 2 。m 舢。o 。n l 钿，同a s i 3 n4 一样，旺s i a l o n 为等轴晶型， 具有高硬度，韧性较差。 开始人们以为一s i a l o n 是热力学稳定的结构，但1 9 9 0 年m a n d a l 发现a - s i a l o n 只有在高温时稳定( 一般高于1 5 5 0 。c ) ，如果低温热处理，a s i a l o n 会转变为 p s i a l o n 1 8 l 。烧结d s i m o n 时适当加入一种金属氧化物作烧结助剂( 如稀土元素 氧化物等) 。这些金属离子同时也是a s i a l o n 的稳定剂。其中y 2 0 3 是研究最多也 是最为成功的一种烧结助剂。陈卫武、h z h a o 等还研究了用添加稀土元素和c a o 作为助烧剂以形成长柱状a s i m o n ，并获得成功0 9 , 2 0 1 。 2 ) b - s i a l o n 6 郑州大学硕士学位论文 b s i a l o n 的组成式为s i 缸触, o , n 8 。( 0 z ( 4 2 ) ，是a 1 o 部分替代了p s i 3 n 4 中的s i - n 得到的，因而具有p s i 3 n 4 的长柱状的六方晶体形态，韧性很好。 8 - s i a l o n 陶瓷的室温断裂韧性是单相s i a l o n 陶瓷材料中最好的，抗折强度也 很高，这是由于1 3 - s i a l o n 的长柱状晶体在材料断裂时产生了拔除效应。为降低烧 结温度而加入的y 2 0 3 会产生残存玻璃相，影响b - s i a l o n 材料的高温使用性能。 但玻璃相相当于预裂纹，可以使材料断裂时的裂纹发生偏转，增加了断裂能，使 材料的抗折强度有所提高【5 】。 文献【2 1 1 认为，p - s i a l o n 的抗氧化性能明显优于s i 3 n 4 ，与s i c 的接近，其原 因是由于b - s i a l o n 氧化时表面形成了莫来石质氧化物保护膜。有助烧剂时，以晶 间相存在，氧化速度加快，并随y 2 0 3 含量增大氧化速度显著增加，因为y 2 0 3 抑制了保护膜的形成。 b s i a l o n 的性质与z 值有关，随着z 值的增大，晶胞尺寸增大，导致键强减 弱、结构疏松，从而使密度、杨氏模量、抗折强度、热膨胀系数下降。当z 值从 0 增加到4 2 时，密度从3 2 9 c m 3 降到3 0 5g ，c m 3 ；弹性模量从3 0 0 g p a 降到 2 0 0 g p m 硬度从1 5 g p a 降到1 3 g p a ；抗折强度从4 5 0 m p a 降到4 0 0 m p a ；热膨胀 系数从3 4 x 1 0 6 降到2 4 x 1 0 ；断裂韧性在z = 3 时里最低值 2 2 o 3 10 - s i a l o n 0 。- s i a l o n 是s i 2 n 2 0 的固溶体，通用表达式是s i 2 地o l + x n 2 x ，其中0 x 0 2 ， 但也有人认为o 1 7 07 57 0 8 6 s i a l o n 2 0 2 0 2 0 ( s i a n 4 ) 2 5 5 6 化学成分，s io _ 3 9o 3 9 f e 2 0 3 o 2 80 3 1 s i 0 2微微 b s i a l o n - b n b n 材料有良好的高温化学稳定性、抗热震性以及高热导率等性能，被广泛 用做陶瓷材料的第二相加入到3 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 、a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 、s i 0 2 、s i c 和s i a l o n 中以改善其高温性能m 。此外，b n 对熔融金属的不润湿性对耐火材料是一个优 点。但b n 难于烧结，并且烧结体的机械性能差，限制了它的应用。 s i a l o n b n 材料较b n 材料的烧结性能好，是连铸用新型耐火材料。 o - s i a l o n b n 可用于水平连铸分离环材料，具有良好的热震性能、高温力学性能 和抗氧化性能，并且有一定的可加工性能，可以加工出精密尺寸的部件娜1 。 c o - s i a l o n - z r 0 2 文献 4 9 ，5 0 对o - s i a l o n - z r 0 2 复合材料作了研究。t e m 的结果显示，o - s i a l o n 为细条状晶体，这些晶体交叉构成网络状结构，此结构可以缓冲热震应力，z r 0 2 颗粒弥散于此结构的空隙处( 1 0 2 0 ) ，起到弥散强化的作用。同时，还可以利 用z r 0 2 ( t ) 与z r 0 2 相变，体积发生变化，从而在其颗粒周围产生微裂纹，提高 材料的抗热震能力。但z r 0 2 的颗粒堆积却可能使晶界易于滑移，降低材料的高 郑州大学硕士学位论文 温抗折强度。0 - s i m o n - z r 0 2 的氧化速率取决于化学反应速率和扩散速率，当氧 化层厚度较小时，氧化速率由化学反应速率决定；随着反应的进行，氧化层变厚， 氧化速率主要受扩散速率约束5 ”。当z r 0 2 的含量小于3 0 时，增加z r 0 2 可以提 高0 - s i a l o n - z r 0 2 的抗氧化性；而z r 0 2 的含量在2 5 时得到了较好的抗侵蚀性【5 2 】。 此外，在1 5 0 肌1 6 0 0 的钢水中，o - s i m o n - z r 0 2 的抗附着的能力也优于a 1 2 0 3 ， 且o s i m o n 的含量越高，抗附着能力越强【5 3 】。文献5 4 1 研究了0 s i a l o n - z r 0 2 s i c 复合材料，利用z r 0 2 的相交增韧和s i c 的颗粒增韧两种作用的综合效应，来提 高0 - s i m o n 的力学性能。 2 5 - s i a i o n 结合刚玉 刚玉具有优良的力学性能及化学稳定性，但其膨胀系数大，因而抗热震性能 差；d - s i m o n 具有良好的抗热震和抗侵蚀能力。通过复合材料性能裁剪设计的方 法，将b - s i m o n 和刚玉复合，可望得到性能良好的材料，满足使用需要。 b - s i m o n 结合刚玉材料的显微结构中，刚玉颗粒被s i m o n 基质包裹，烧结后 的p - s i a l o n 晶体变成纤维状，和剐玉铰链在一起，从而使刚玉和1 3 - s i a l o n 间的结 合十分牢固。同时，p s i m o n 结合刚玉在有其他添加剂的作用下，能够使刚玉也 参加反应，使得刚玉颗粒的表面变得粗糙【1 2 1 ，这使b s i m o n 和刚玉颗粒间的结合 更加牢固，增强制品的强度。 p s i m o n 和刚玉的膨胀系数差别大( p s i m o n 的膨胀系数2 4 3 4 1 0 正，刚 玉的膨胀系数是8 0 1 矿1 ) ，相界面过渡微区的热应力大。文献【5 5 】的结论表明， 熟震试验后的刚玉颗粒内部形成很多裂纹，但b s i m o n 基质中却少而且细微，热 震实验后b s i m o n 和刚玉的结合面仍很牢固。 p s i m o n 的z 值对p - s i m o n 结合刚玉材料的性能有较大的影响。王文武认为 5 5 1 , z = 3 时p - s i m o n 的抗氧化性能最好，z - - 4 时抗氧化性能急剧下降。b s i m o n 刚玉复相耐火材料在1 5 ) s 嚣” ( 2 1 7 ) = 【即一，一2 】圪“”s # ” 。 1 6 郑州大学硕士学位论文 在显著性水平a l 意义下，如果如果玛l y o , ，则引入该变量，否则舍弃。 通过以上的计算对变量进行取舍，得到回归方程。回归方程总的平方差越小、 相关系数r 和显著性检验的f 值越大( 方程的显著度越高) ，回归方程的效果就 越好。 用于统计分析的软件很多，m a t l a b 是其中非常优秀的一个。m a t l a b 是 2 0 世纪8 0 年代美国m a t h w o r k s 公司推出的著名数值计算和可视化软件。它功能 强大，提供了丰富可靠的矩阵运算、数据处理、图形绘制、图形处理以及语言编 程等功能：m a t l a b 功能的不断扩充，出现了各种以m a t l a b 基础的工具箱， 已经广泛应用于自动控制、图象信号处理、模糊推理、神经网络、小波分析、信 号处理、振动理论、时序分析与建模、化学统计学、优化设计等领域。m a t l a b 不仅功能强度，而且操作简单，被形象的称为演算纸。用m a t l a b 的统计工具 箱( s t a t i s t i ct o o l b o x ) 进行优化设计，简单易行，效率高，可用于回归分析、主 成分分析等方面【6 ”。 1 7 郑州大学硕士学位论文 3 1 研究内容 3 实验 1 )以s i 、7 - a 1 2 0 3 、a 1 、刚玉颗粒及细粉为原料制备氧化铝基b s i m o n 结 合刚玉复合材料，探讨该材料的制备工艺参数； 2 1 采用反应烧结法，以s i 、高铝矾土、a i 、刚玉颗粒及细粉为原料制备矾 土基b s i a l o n 结合刚玉复合材料： 3 ) 研究矾土基p s i a l o n 结合刚玉复合材料的高温力学性能、抗热震性能、 抗氧化性能以及抗k 2 c 0 3 侵蚀性能。 3 2 实验原料 实验原料如表3 1 、表3 2 所示。 表3 1 实验用原料 t a b l e 3 1r a wm a t e f l a l s 原料名称规格产地 白刚玉0 3 m m荥阳三星刚玉厂 s i 0 21 岫 s i 粉纯度9 9 ，粒度4 0 0 目购于洛阳耐火材料研究院 a l 粉 2 9 4 1 p a n陕西长虹化工厂精细材料公司 聚合度1 7 5 0 5 0 ；挥发物质5 ； p v a灼烧残渣( s 0 4 ) i o ：乙酸基( 以 天津市天河化学试剂厂 c h 3 c o o n a 计) 3 ：p h ( 2 5 ) 5 8 高纯氮气纯度9 9 9 9 9 9 北京 铝矾土见表3 2登封 表3 2 铝矾土化学成分 t a b l e 3 2c h e m i c a lc o m 【p o n e n t so fx i n m ib a u x i t e 成分a 1 2 0 3s i 0 2f e 2 0 3t i 0 2k 2 0n a 2 0 w t 8 6 6 65 _ 3 92 1 54 2 6o o lo 0 3 3 3 实验方法 先把合成肛s i a l o n 用的细粉( y - a 1 2 0 3 高铝矾土、硅粉等) 与刚玉细粉干混 2 小时，然后和颗粒级配好的刚玉一起混合1 5 分钟，在此过程中加入结合剂。 油压机上压制成型2 5 2 5 x 1 2 5 m m 的样块，压力为1 0 0 m p a 。烘箱内自由升温到 1 1 0 保温2 4 小时。 郑州大学硕士学位论文 烧结温度为1 5 0 0 1 2 和1 5 5 0 ( 2 ，保温时间5 小时、1 0 小时；流通氮气气氛， 压力o 0 3 m p a 。 烧结好的试样用三点弯曲法测定材料的抗折强度，跨距为1 0 0 m m ；排水法 测定材料的体积密度及显气孔率；采用型号为p h i l i p sx p e r tp r o 的x 射线衍 射仪检测材料的物相组成；采用j s m 5 1 6 0 l v 型扫描电子显微镜观察其显微结构； 微区元素分析采用c a 2 0 0 0 型能谱分析仪。 1 9 郑州大学硕士学位论文 4 矾土基i i - s i a l o n 结合刚玉复合材料的制备工艺探索 4 1 性能检测方法 4 1 1 物相分析 用粉末x 射线衍射法对制备的材料进行物相分析。 b - s i a l o n 的晶胞参数的测定： p - s i a l o n 是六方晶型，六方晶系的晶面间距计算公式是： 根据布拉格方程： 得到： d 一2 丽矿雨鬲雨a 嚣丽 2 d m s i n o = n a ( 4 2 ) s i n 2 口= 竺4 ( 型笋+ 争2 ( 4 s ) 、 1 ，t zp 7、。 令a = 砖+ h k + 圣? b = t 鼬 s i n 2 0 = 2 2 a z + 2 ) 了b 3 a4 c z2 ( 4 4 ) 选择两高角度( 最好2 0 1 4 0 。) 的衍射峰上璐；h j k j l j ，代入上式并联立方程 求解得到： 1 3 - s i a l o n 的z 值确定： 口2 = 了2 2 - 可丽a , b f j - 丽a j b ( 4 5 ) 3 曰，s i n 2 只一b s i n 2 口， v 7 c 2 = 了2 2 不蕊a l b f j - a 币j a 而t ( 4 6 ) 4 一s i l l 2 口，一一，s i n 2 醴 7 郑州大学硕士学位论文 p - s i a l o n 的z 值可以通过e k g 叻m 和k a l l 的经验公式加以计算衅1 ： a o = 7 6 0 3 + 0 0 2 9 6 7 z ( a ) c o - - 2 9 0 7 + 0 0 2 5 5 4 z ( a ) ( 4 7 ) 1 3 - s i a l o n 相近似定量分析： 当合成的复合材料物相比较纯，即只有刚玉和 3 - s i a l o n 相时，则可以根据样 品中的氮含量和得到的b s i a l o n 的z 值的大小近似估算出制品中1 3 - s i a l o n 的含量a 4 1 2 体积密度、显气孔率 根据阿基米德定律，用排水法测定p - s i a l o n 结合刚玉复合材料的体积密度和 显气孔率。 4 1 3 显微结构分析 用s e m 观察试样的显微结构，考察显微结构对制品性能的影响。 4 2 氧化铝基i $ - s i a l o n 结合刚玉复合材料的制备 4 2 1 工艺过程 实验中刚玉的颗粒配比见表4 1 。 表4 1 刚玉颗粒配比 t a b l e 4 1g r a i ns i z eg r a d i e n to fc o r u n d u mp a r t i c l e 规格 1 5 - 3 m0 5 - 1 5 m0 0 8 8 - 0 5 m m0 0 8 8 r a m 比例( 毗j1 54 42 51 6 按配比将电熔白刚玉颗粒和合成b - s i a l o n 用的细粉( 丫_ a j 2 0 3 + s i 等) 原料， 从粗到细的顺序加入到搅拌机内，同时逐渐加入6 木质素磺酸钙液，搅拌2 0 3 0 分钟，困料2 4 小时后1 0 0 m p a 压力机压成型，试样尺寸为2 5 x 2 5 x 1 2 5 m m ，然后 1 1 0 干燥2 4 小时。 4 2 2 烧结温度对材料性能的影响 表4 1 中的刚玉颗粒级配，以刚玉和合成b s i a l o n 用细粉的比例为7 5 ：2 5 配 料，分别在1 5 0 0 c 和1 5 5 0 c 温度下保温5 小时氮化烧结。烧结后试样的x 射线 衍射结果如图4 1 所示。 郑州大学硕士学位论文 v ：s i a i o n 1 5 5 0 1 5 h 1 5 0 0 5 h 。2 t h e t a 图4 1 氧化铝基p - s i a l o n 结合刚玉复合材料的x r d 图谱 f i 9 4 1x r dp a t t e r n so ft - a i z o sb a s e di s i a l o nb o n d e d c o r u n d u m 图4 1 表明1 5 0 0 c 5 h 和1 5 5 0 。c 5 h 制备的复合材料，其主晶相为刚玉、次 晶相为b s i a l o n ，其他物相均不明显，物相比较纯。说明1 5 0 0 、1 5 5 0 c 保温5 小 时的条件下均能通过反应烧结的方法制各b - s i a i o n 结合刚玉复合材料。 氧化铝基1 3 - s i a l o n 结合刚玉复合材料的常温物理性能如表4 2 所示，结果表 明两种条件下得到的材料的常温物理性能没有明显差别，说明实验条件下，温度 对材料的烧结性能影响不大。 表4 21 5 0 0 c 5 h 、1 5 5 0 ，5 h 试样的常温物理性能 t a b l e 4 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h es p e c i m e n ss i n t e r e da t1 5 0 0 c 5 ha n d1 5 5 0 c 5 h t e m p e r a t u r eb u l k d e m i v ，g c m - 3a p