多孔氮化硅陶瓷玻璃相的原位替换及耐高温晶界设计

通过优化液相烧结工艺控制氮化硅（一次氮化硅）的组织和力学性能，腐蚀去除晶间的氧化物相，进一步均匀渗入定量含硅物质，最后通过反应生成氮化硅相（二次氮化硅），最终形成无晶间氧化物相的多孔氮化硅陶瓷。采用X-射线衍射、扫描电子显微镜、电子拉伸仪等进行成分分析、结构表征以及相关性能测试，研究无晶间氧化物相多孔氮化硅的组织设计和控制。 首先研究烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷性能及微观组织的影响。在α-Si3N4原料中添加不同稀土氧化物，制备具有高气孔率和棒状晶结构的多孔氮化硅陶瓷。得到了稀土元素原子尺寸对β-Si3N4棒状晶粒的生长及晶粒的直径及长径比具有较强的影响的结论。添加La2O3的多孔陶瓷线收缩超过10%，微观结构比较均匀，晶粒直径和长径比相近，气孔率40%，强度达263MPa。添加Y2O3的样品收缩率最小，试样强度为79MPa。 研究了氮气压力对氮化硅的烧结行为、显微组织和力学性能的影响。随着氮气压力(0.12，0.32和0.52MPa)的提高，添加Y2O3的多孔陶瓷线收缩率降低、气孔率提高，原因为低熔点的液相中N含量随氮气压力的提高而增加，导致了液相粘度的提高，抑制陶瓷致密化。随着氮气压力的提高，组织中的棒状β-Si3N4生长良好、晶粒长径比增加，在0.52MPa的压力下气孔率为58%，弯曲强度达140MPa。 研究了氢氟酸溶液浓度浸泡腐蚀烧结多孔氮化硅陶瓷去除晶相的效果。研究发现，在1mol/LHF中浸泡7d的陶瓷试样失重达到10.3%，气孔率提高6.1%，腐蚀后的强度为37MPa。物相分析、显微组织观察以及元素分析证实晶间相被彻底去除。 通过将酚醛树脂与SiO2溶胶浸渍到腐蚀去除晶间相的多孔陶瓷内，在高温N2气氛下发生碳热还原反应，制备出了以α氮化硅晶相原位替换液相烧结陶瓷晶间相的纯氮化硅晶相多孔陶瓷。通过X射线衍射进行物相分析发现新生成的α氮化硅晶相的衍射峰。以固含量为16.84%的浸渍溶液浸渍后陶瓷，在1500℃5atmN2压力下烧结2.5h，试样增重5.5%，烧结后强度增加到150MPa。浸渍碳热还原烧结改善了腐蚀陶瓷的力学性能，达到了用α氮化硅晶相原位替换液相烧结陶瓷晶间相的目的。 通过项目研究，发表研究论文17篇，获得授权发明专利9项，申请发明专利2项。 2100433B

多孔氮化硅陶瓷由于高强度、高耐热性和优异的抗热震性能，在高温过滤催化、及轻质耐热等领域可发挥重要的作用。传统制备工艺使用氮化硅粉末添加烧结助剂的液相烧结，材料中存在的氧化物晶间相限制了材料在特殊场合的应用。本课题提出烧结－净化晶界－物质渗入－补强烧结路线消除氧化物晶间相的思想，拟通过优化液相烧结工艺控制氮化硅（一次氮化硅）的组织和力学性能，通过腐蚀去除晶间的氧化物相，进一步均匀渗入定量含硅物质，最后通过反应生成氮化硅相（二次氮化硅），取代原来的低熔点氧化物相。一次氮化硅通过二次氮化硅直接结合连接，形成无晶间相的多孔氮化硅陶瓷，改善材料的高温和耐腐蚀性能。研究材料的显微结构设计途径和控制因素，以及通过两种氮化硅的反应结合制备多孔氮化硅陶瓷材料的技术和理论，进一步研究材料性能优化的影响规律。研究结果不但具有创新的学术价值，而且在高温、腐蚀等应用场合也具有重要的现实意义。

二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ来确定。根据相邻晶粒之间倾斜晶界位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类：

1.小角度晶界(small-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；

2.大角度晶界(large-angle grain boundary)——相邻晶粒的位向差大于10°的晶界，多晶体中90%以上的晶界属于此类。

晶界（grain boundary ）是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。

因而无机非金属材料是由形状不规则和取向不同的晶粒构成的多晶体，多晶体的性质不仅由晶粒内部结构和它们的缺陷结构所决定，而且还与晶界结构、数量等因素有关。尤其在高技术领域内，要求材料具有细晶交织的多晶结构以提高机电性能。此时晶界在材料中所起的作用就更为突出。当多晶体中晶粒平均尺寸为1um界占晶体总体积的1/2。显然在细晶材料中，晶界对材料的机、电、热、光等性质都有不可忽视作用。 凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。如果相邻晶粒不仅位向不同，而且结构、组成也不相同，即它们代表不同的两个相测其间界称为相界面或界面。由于原子（离子）间结合键的变化及结构畸变，相界面同样具有特殊的界面能，可以与晶界类同看待。