مدونة

نظرًا لصلابته العالية وقوته العالية ومقاومة التآكل الممتازة والاستقرار الكيميائي، يُظهر سيراميك نيتريد السيليكون نطاقًا واسعًا من آفاق التطبيق في محامل السيراميك وأدوات القطع والمواد الإنشائية ذات درجة الحرارة العالية. في هذه الدراسة، تم استخدام مسحوق α-Si3N4 محلي الصنع كمواد خام، بالإضافة إلى Y2O3 وAl2O3 على نطاق النانو كمضافات تلبيد، وتم تحضير كرات نيتريد السيليكون عن طريق عملية تلبيد الضغط بتكلفة منخفضة نسبيًا. تمت مناقشة تأثير درجة حرارة التلبيد على التكثيف، وتكوين الطور، والبنية المجهرية والخواص الميكانيكية لكرات السيراميك في هذه الورقة، بهدف تحسين عملية التحضير وتحسين الخصائص الشاملة لكرات السيراميك.

1.1 المواد الخام

المواد الخام المستخدمة هي مسحوق نيتريد السيليكون (مصنوع ذاتيًا، محتوى كتلة α-Si3N4 93%، محتوى الأكسجين <2%، متوسط ​​حجم الجسيمات D50 <1μm)، أكسيد نانو الإيتريوم (كاشف سينوبيما، نقاء 99.9%، متوسط). حجم الجسيمات D50 <100 نانومتر)، نانو الألومينا (كاشف سينوبيما، نقاء 99.9٪، متوسط ​​حجم الجسيمات D50 <100 نانومتر). تم تحضير مسحوق نيتريد السيليكون بطريقة النيترة المباشرة لمسحوق السيليكون، وتم عرض شكله المجهري وتكوين الطور في الشكل. 1 والشكل. 2 على التوالي.

الشكل 1: صور SEM لمسحوق نيتريد السيليكون

الشكل 2 نمط XRD لمسحوق نيتريد السيليكون

1.2 عملية الاختبار

1.2.1 تحضير العينة

وفقًا لنسبة الكتلة m(Si3N4) â¶m(Y2O3) â¶m(Al2O3)=92 â4 â¶4، تمت إضافة مسحوق نيتريد السيليكون ومضافات التلبيد إلى المطحنة الكروية، و تم استخدام الإيثانول اللامائي كمذيب وتم استخدام كرة نيتريد السيليكون كوسيلة طحن للخلط والتشتيت. تم رش الملاط المختلط بالتساوي جافًا ومحببًا، وتم تشكيل المسحوق المحبب إلى كرة خزفية بقطر 9.525 مم فارغة عن طريق الضغط الجاف والضغط المتوازن البارد. تم حفظ الحبيبات الخزفية الفارغة في الجو عند درجة حرارة 500 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لمعالجة تفريغ الغراء. بعد تفريغ الغراء، تم وضع حبيبات السيراميك الفارغة في فرن تلبيد الضغط الجوي من أجل تلبيد الضغط. كانت درجة حرارة التلبيد 1720 درجة مئوية، 1750 درجة مئوية، 1780 درجة مئوية، 1800 درجة مئوية، ومدة الاحتفاظ 3 ساعات، وكان ضغط النيتروجين 2 ميجا باسكال.

1.2.2 اختبار التحليل

يتم قياس الكثافة الحجمية للكرة الخزفية بطريقة الصرف الأرخميدية، ويتم حساب الكثافة النسبية. تظهر صيغة الحساب في المعادلة (1). تم استخدام طريقة المسافة البادئة لقياس وحساب صلابة فيكرز (الحمل 98N) وصلابة الكسر (الحمل 196N) للكرة الخزفية. تمت إحالة طريقة حساب صلابة الكسر إلى الطريقة التي اقترحها Niihara et al. وتظهر صيغة الحساب في المعادلة (2).

وفقًا لطريقة اختبار الكرات الثلاثة المنصوص عليها في معيار JB/T 1255-2014، يتم اختبار حمل التكسير للكرة الخزفية وحساب قوة التكسير. وتظهر صيغة الحساب في المعادلة (3).

تم تحليل تكوين الطور للعينات بواسطة مقياس حيود الأشعة السينية D8 ADVANCE (XRD). تم استخدام المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاثات الميدانية (FE-SEM) SU8010 لمراقبة البنية المجهرية للعينات، وتم قياس حجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر على صور SEM العشوائية. وكان عدد الحبوب في كل مجموعة عينات لا يقل عن 200.

حيث :ρ هي الكثافة النسبية للكرة الخزفية (نسبة إلى الكثافة الحقيقية)،%؛ ρm هي الكثافة الحجمية للكرة الخزفية، جم/سم3؛ ρ هي الكثافة النظرية للكرة الخزفية، جم/سم3؛ ρi هي الكثافة النظرية لكل مرحلة، جم/سم3؛ Vi هو الكسر الحجمي لكل مرحلة،%.

حيث IFR هي صلابة كسر الكرة الخزفية، MPa·m1/2؛ E هو معامل المرونة للكرة الخزفية، GPa، حيث E = 310 GPa؛ P هو الحمل،kgf(1kgf= 9.8N); a هو الطول النصف قطري للمسافة البادئة، μm؛ c هو طول شق نصف المسافة البادئة، ميكرومتر.

أين :σ هي قوة التكسير للكرة الخزفية،MPa؛ P هو الحمل الساحق للكرة الخزفية، N؛ d هو قطر الكرة الخزفية، مم.

2.1 الضغط

ويبين الشكل 3 الكثافة النسبية والتغيرات في عينات الكرة الخزفية من نيتريد السيليكون بعد التلبد في درجات حرارة مختلفة. يمكن أن نرى من الشكل 3 أن الكثافة النسبية لعينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة تلبيد مختلفة تصل إلى أكثر من 97%، ومع زيادة درجة حرارة التلبيد، تزداد الكثافة النسبية للكرة الخزفية أولاً ثم تنخفض.

وذلك لأن الزيادة في درجة حرارة التلبيد يمكن أن تقلل من لزوجة الطور السائل، وتعزز هجرة المواد واستبعاد المسام، وتسريع نمو الحبوب، ولكن درجة حرارة التلبيد مرتفعة جدًا ستؤدي إلى حدوث تغير غير طبيعي يؤدي نمو الحبوب إلى تفاقم تحلل نيتريد السيليكون وتطاير الطور السائل، مما يؤدي إلى زيادة عدد المسام الدقيقة داخل الجسم الملبد. ومن بينها، تعد الكثافة النسبية لعينات الكرات الخزفية الملبدة عند درجة حرارة 1780 درجة هي الأعلى، وهي 99%.

شكل 3 تأثير درجات حرارة التلبيد على الكثافة النسبية لعينات الكرات الخزفية

2.2 تحليل المرحلة

ويبين الشكل 4 أطياف XRD لعينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة تلبيد مختلفة. كما يتبين من الشكل 4، فإن تكوين الطور لعينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة تلبيد مختلفة هو نفسه، ويتكون من β-Si3N4 وSi2N2O وY4Al2O9(YAM)، ولم يتم العثور على ذروة حيود α-Si3N4، مما يشير إلى أنه في عام 1720 عند درجة حرارة ودرجات حرارة أعلى، تم تحويل α-Si3N4 إلى β-Si3N4، ومع زيادة درجة حرارة التلبيد، تتناقص كثافة ذروة الحيود لـ Y4Al2O9 تدريجيًا، والذي قد يكون ناجمًا عن تطاير الطور السائل عند درجة حرارة عالية .

الشكل 4. أنماط XRD لعينات الكرة الخزفية الملبدة في درجات حرارة تلبيد مختلفة

2.3 البنية المجهرية

شكل. يُظهر الشكل 5 صور SEM لعينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة تلبيد مختلفة. تين. يوضح الشكل 6 التغيرات في حجم الحبوب (أي قطر الحبوب العمودية الطويلة) ونسبة طول قطر نيتريد السيليكون وفقًا لصور SEM.

يمكن رؤيته من الشكل. 5 والشكل. 6 أن حجم الحبيبات ونسبة الطول إلى القطر لنتريد السيليكون تزداد تدريجياً مع زيادة درجة حرارة التلبيد. وذلك لأن لزوجة الطور السائل تنخفض مع زيادة درجة حرارة التلبيد، والطور السائل ذو اللزوجة المنخفضة يكون أكثر ملاءمة لنقل الكتلة، مما يعزز نواة ونمو حبيبات β-Si3N4.

الشكل 5 صور SEM لعينات الكرة الخزفية الملبدة في درجات حرارة تلبيد مختلفة

الشكل 6. تأثير درجة حرارة التلبيد على حجم الحبوب ونسبة أبعاد عينات الكرة الخزفية

من بينها، البنية المجهرية للكريات الخزفية الملبدة عند 1720 درجة تحتوي على العديد من المسام والحبيبات الصغيرة، التي لم يتم تطويرها بالكامل، ونسبة الطول إلى القطر هي 2.6 فقط. تتمتع الكرات الخزفية الملبدة عند 1750 درجة و1780 درجة ببنية مجهرية موحدة، وتعبئة حبيبية مدمجة وتطور كامل، ونسبة الطول إلى القطر هي 3.5 و4.2 على التوالي. إن انتظام البنية المجهرية للكريات الخزفية الملبدة عند درجة حرارة 1800 درجة مئوية ضعيف، وهناك مسام دقيقة، وخشونة الحبوب ونمو غير طبيعي، ونسبة الطول إلى القطر تصل إلى 5.3.

2.4 الخواص الميكانيكية

يوضح الشكل 7 التغيرات في صلابة فيكرز وصلابة الكسر لعينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة تلبيد مختلفة. كما يتبين من الشكل 7، مع زيادة درجة حرارة التلبيد، زادت صلابة فيكرز للكرة الخزفية أولاً ثم انخفضت، واستمرت صلابة الكسر في الزيادة.

الشكل 7. تأثير درجة حرارة التلبيد على صلابة فيكرز وصلابة الكسر لعينات الكرة الخزفية

عندما تكون درجة حرارة التلبيد 1720 درجة مئوية، يكون حجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر لكرات السيراميك أصغر، وتكون المسامية أكبر، وتكون الكثافة غير كافية، وبالتالي تكون صلابة فيكرز وصلابة الكسر أقل. عندما ترتفع درجة حرارة التلبيد إلى 1750 درجة مئوية، يزداد حجم الحبيبات ونسبة الطول إلى القطر لكرات السيراميك، وتزداد الكثافة، وتزداد صلابة فيكرز وصلابة الكسر إلى 1540 فولت و6.3 ميجا باسكال · م1/2، على التوالي.

عندما تكون درجة حرارة التلبيد 1780 درجة مئوية، يزداد حجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر لكرات السيراميك بشكل أكبر، وتستمر صلابة الكسر في الزيادة، لتصل إلى 7MPa·m1/2، لكن صلابة فيكرز تنخفض قليلاً إلى 1530HV.

عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 1800 درجة مئوية، تنمو حبيبات كرات السيراميك بشكل غير طبيعي، وتكون هناك ثقوب دقيقة في البنية المجهرية، مما يؤدي إلى تدهور الكثافة، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في صلابة فيكرز. ومع ذلك، يمكن للحبيبات العمودية الطويلة الخشنة أن تؤدي إلى انحراف الشقوق، وسحب الجسر والحبوب للخارج وآليات التقوية الأخرى، مما يزيد من تحسين صلابة الكسر للكرات الخزفية.

شكل 8 تأثير درجة حرارة التلبيد على قوة سحق عينات الكرة الخزفية

ويبين الشكل 8 قوة التكسير والتغيرات في عينات الكرة الخزفية عند درجات حرارة التلبيد المختلفة. كما يتبين من الشكل. 8، مع زيادة درجة حرارة التلبيد، تزيد قوة التكسير للكرة الخزفية أولاً ثم تنخفض. تتأثر قوة سحق الكرة الخزفية بشكل أساسي بالكثافة والبنية المجهرية والعيوب الداخلية. كلما زادت كثافة الكرة الخزفية، كلما كانت البنية المجهرية أكثر تجانسًا، وقل العيوب الداخلية وزادت قوة التكسير. من بينها، قوة سحق الكرات الخزفية الملبدة عند 1750 درجة مئوية و1780 درجة مئوية أعلى، 288 ميجا باسكال و296 ميجا باسكال على التوالي، مما يشير إلى أن العيوب الداخلية لكرات السيراميك الملبدة عند درجتي الحرارة هاتين قليلتان نسبيًا.

الجدول 1. الخواص الميكانيكية لكرات سيراميك نيتريد السيليكون من خلال عمليات تحضير مختلفة

يوضح الجدول 1 مقارنة خصائص الكرات الخزفية من نيتريد السيليكون المحضرة بعملية التلبيد الهوائية وتلك المحضرة بعملية الضغط المتوازن الساخن في الخارج. يمكن أن نرى من الجدول 1 أن صلابة فيكرز وصلابة الكسر في كرة سيراميك نيتريد السيليكون المحضرة في هذا الاختبار تصل إلى نفس مستوى كرة سيراميك نيتريد السيليكون الأجنبية، وقوة التكسير أعلى من قوة سحق السيليكون الأجنبي كرة نيتريد السيراميك. نظرًا لأن عامل التلبيد المستخدم في هذه التجربة هو مقياس نانوي، فيمكن تشتيته بشكل متساوٍ في نيتريد السيليكون، وتعزيز تكثيف تلبيد نيتريد السيليكون، وتحسين اتساق حجم حبيبات نيتريد السيليكون، وبالتالي فإن الخواص الميكانيكية لكرات السيراميك المحضرة تكون ممتاز.

الخلاصة

في هذا البحث، تم استخدام مسحوق α-Si3N4 محلي الصنع كمادة خام وتم استخدام Y2O3 وAl2O3 على نطاق النانو كمضافات تلبيد لإجراء التجارب الصناعية. تمت دراسة تأثير درجة حرارة التلبيد على التكثيف، تكوين الطور، البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للكرة الخزفية المتكلدة من نيتريد السيليكون. وتم التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

(1) مع زيادة درجة حرارة التلبيد، تزداد الكثافة النسبية للكرة الخزفية أولاً ثم تنخفض، ويزداد حجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر تدريجيًا.

(2) ترتبط الخواص الميكانيكية لكرات سيراميك نيتريد السيليكون ارتباطًا وثيقًا ببنيتها المجهرية، وتتأثر صلابة الكسر بشكل أساسي بحجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر. تزداد صلابة الكسر مع زيادة حجم الحبوب ونسبة الطول إلى القطر. لا تتأثر صلابة فيكرز وقوة التكسير بحجم الحبوب فحسب، بل تتعلق أيضًا بالكثافة والعيوب الداخلية، لذلك مع زيادة درجة حرارة التلبيد، فإن الاتجاه للزيادة أولاً ثم الانخفاض.

(3) تتمتع الكرة الخزفية الملبدة عند درجة حرارة 1780 درجة مئوية بأفضل الخواص الميكانيكية الشاملة، حيث تصل كثافتها النسبية إلى 99%، كما تبلغ صلابة فيكرز وصلابة الكسر وقوة السحق 1530 هرتز، و7 ميجا باسكال · م 1/2، و296 ميجا باسكال، على التوالي.