碳化硅基陶瓷材料高温相平衡研究

本课题拟研究 SiC-MxXy-Re2O3（MxXy为Si3N4或AlN；Re2O3为稀土氧化物或Y2O3）系统的高温相平衡关系.本研究采用热压合成方法，用XRD、EDX、TEM、SEM等手段分析其高温反应产物的组成和结构,确定各物相之间的相容性（共存）区,从而构成相图。通过本课题的研究, 得到SiC-Si3N4-Re2O3 和 SiC-AlN-Re2O3 (Re: Nd, Gd,Yb或Y)系统的实验相图.为进一步开发SiC/ Si3N4复相陶瓷和SiC/AlN固溶体陶瓷进行结构设计和相组成控制提供理论依据，为填补和丰富材料基础科学理论作贡献。

Si3N4/SiC复相陶瓷由于具备了SiC与Si3N4性能上的优势互补而日益引起关注。设计和研发此类复相陶瓷，需了解Si3N4/SiC系统的相容性相区。在SiC，Si3N4 基陶瓷系统中，稀土氧化物常常作为烧结助剂添加，但引入稀土氧化物R2O3而引发的高温反应及与SiC、SiC/Si3N4的相关系，目前仍不清楚。本项目研究高温下处于平衡状态或准平衡状态的 SiC-MxXy-Re2O3系统的物相组成及其相容性相区; 提出一系列相图; 分别选择稀土氧化物三个亚族中具有代表性的La2O3 、Gd2O3、Y2O3为轻、中、重稀土氧化物代表进行研究，阐明随着稀土氧化物的不同, 相关系变化的规律性。本研究通过热压烧结方式，在氩气氛和氮气下合成了SiC-Si3N4-R2O3系统的陶瓷材料样品，以α-Si3N4全部转为β-Si3N4作为反应是否完全的判据。以在合成温度下再次延长保温时间，而不改变相组成，作为系统达到高温平衡的依据。采用X光衍射(XRD)测定样品的相组成。EDX和EMPA测定分析晶相组成。结果表明，由于粉料和气氛中氧的存在，在高温下会产生一系列的物理化学反应，使系统中除SiC和Si3N4共存外，尚有一系列含氮的稀土硅酸盐化合物K(Si2N2O•R2O3)、J相(Si2N2O•2R2O3)和H相（Si2N2O.5R2O3.4SiO2）生成，而SiC分别同这三相共存,使三元系统扩展为四元SiC–Si3N4–SiO2–R2O3 (Si–C–N–O–R)系统。随着配置粉料的氧含量不同和高温气氛氧分压的差别，SiC和Si3N4将依含氧顺序，分别选择性地同M、K、J、H相形成二相，三相，或四面体共存。在SiC-AlN-Y2O3三元系统中，在氮气氛下，SiC氮化成为Si3N4，Si3N4与0.1Y2O3:0.9AlN反应生成α-Sialon, Y0.67Si9Al3ON15-Y0.33Si10.5Al1.5O0.5N15.5有限固溶体。排除氮化反应，则SiC与AlN，R2O3共存。SiC-AlN-Nd2O3系统中AlN与Nd2O3生成一个1:1化合物Nd2AlO3N。由于AlN和SiC同具纤维锌矿结构,且Al-N与Si-C的键长接近，通过对Nd2AlO3N (1:1)相的电子探针分析发现其中的Al-N被Si-C部分取代，生成Nd2Al1-xSixO3N1-xCx固溶体。