热等静压(HIP)技术在硬质合金及陶瓷材料中的应用(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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上海硅酸盐研究所历时10年开发了“活性”ＨＩＰ后处理ＳｉＣ烧结制品的新工艺[7]。热力学分析表明,许多碳化物(如ＳｉＣ、ＴｉＣ和Ｂ4Ｃ等)在高温、高压氮的作用下不稳定,因此氮气可以作为“活性”ＨＩＰ后对ＳｉＣ进行处理的一种典型压力介质(图1)。ＳｉＣ材料在高压氮处理后,在材料表面形成Ｓｉ3Ｎ4,且使部分内部ＳｉＣ氮化成Ｓｉ3Ｎ4。在ＳｉＣ氮化成Ｓｉ3Ｎ4时,由于产生体积膨胀(约17 5%),而使材料的气孔率下降,从而使材料表面的气孔和表面缺陷(如裂纹)得以愈合,因此,材料的力学性能大幅度提高。而采用常规惰性气体作为压力介质时,由于不能改变ＳｉＣ陶瓷烧结制品的表面组成与结构,因此,当存在表面缺陷时会使材料的力学性能大幅度降低。图1　几种碳化物在1000～2500℃氮化时氮的平衡分压ａ-多数碳化物;　ｂ-ＳｉＣ及ＴｉＣ
　　表3列出了ＳｉＣ系材料在“活性”ＨＩＰ处理前后,一些力学性能的比较。从表3可以看到,经过“活性”ＨＩＰ处理的材料,其密度有不同程度的提高,其抗弯强度显著提高(有的甚至提高近1倍),其断裂韧性值有的提高50%以上。在上海硅酸盐研究所研究成果的
基础上,日本经验证得到了类似的结果[8]。
　　一般认为,采用热压(ＨＰ)工艺可以得到全致密的高性能产品。试验表明,经过热压的制品在经过高压氮处理后,其力学性能仍可得到大幅度提高(表4)。对于采用不同工艺制备的Ｓｉ3Ｎ4材料,经高压氮处理后,由于氮部分改变了铝与氧的结合,形成了ＳｉＡｌＯＮ固溶体而提高了Ｓｉ3Ｎ4材料的力学性能(表5)。

4　复相陶瓷材料制备复相陶瓷材料是进一步改善单相陶瓷材料力学性能的有效方式。由于加入大量的烧结助剂会对陶瓷材料的性能带来许多不利影响,因此人们力图降低或不使用烧结助剂。在这方面,上海硅酸盐所的研究具有代表性。对于ＳｉＣ-25%Ｓｉ3Ｎ4(体积分数)复合材料,他们以Ｓｉ3Ｎ4为结合相,并加入Ｌａ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3等少量稀土添加物,以提高材料的高温性能。对于ＳｉＣ 20%(β Ｓｉａｌｏｎ)(体积分数)复相材料,加入Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ,由于在烧结开始期间它们可作为一般的烧结助剂形成共晶液相促进烧结,而在烧结后期它们与Ｓｉ3Ｎ4形成β-Ｓｉａｌｏｎ相,故在晶界不形成玻璃相,从而就大大地提高了陶瓷材料的力学性能[9]。对于Ｙ-(α/β Ｓｉａｌｏｎ)复相陶瓷材料,α-Ｓｉａｌｏｎ晶粒弥散在针状β-Ｓｉａｌｏｎ内,α相的含量约为30%,β相的含量约为70%(由1850℃、1 5ＭＰａ条件下烧结2ｈ制得)。α/β复相陶瓷所以引人注目不仅是由于它高的致密性,而且是由于它的力学性能具有加和性和可调性。上述陶瓷材料的抗弯强度达到750ＭＰａ、断裂韧性达到7.2ＭＰａ·ｍ1/2,针状β-Ｓｉａｌｏｎ晶粒在基体中起到了自补强作用[10]。

5　核燃料废料处理用复合陶瓷包套材料
　　根据环保要求,许多国家对来自核电站的高放射性核废料的处理给予高度重视,并进行了大量研究。用做盛放核废燃料的整体陶瓷容器的陶瓷材料在辐射条件下应具有高的化学稳定性、耐腐蚀,并具有岩石般的强度。乌克兰ＮＳＴＫＩＰＴ的Ｓａｙｅｎｋｏ等报道了他们近10年来的研究结果,他们对Ａｌ4Ｓｉ2Ｏ9 (ｔＺｒＯ2)材料进行了重点系列研究[11]。他们采用等离子造粒得到了成分均匀含部分晶化与非晶的粉末,然后在ＨＩＰ处理(温度1000～1300℃、压力10～30ＭＰａ)过程中得到了致密、均匀的细晶材料(晶粒<1μｍ)。试验材料中ＺｒＯ2的含量为10%、20%及30%。复合材料中莫来石相Ａｌ4Ｓｉ2Ｏ9基体的晶粒尺寸为0 06～0 1μｍ,ｔ-ＺｒＯ2弥散硬化相粒子的尺寸为0 03～0 06μｍ。该材料具有高的抗辐射性能、耐热性能和机械强度(表6),适宜用作核废燃料的包套材料。

参考文献
[1]　ＷｕＹｉｎｆａｎｇｅｔａｌ.Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆ“ＢｏｔｈＨｉｇｈ”ＵｌｔｒａｆｉｎｅＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅ.ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ9-11Ｊｕｎｅ1999Ｂｅｉｊｉｎｇ,Ｃｈｉｎａ.ＥｄｉｔｅｄｂｙＬｉＣｈｅｎｇｇｏｎｇ.ＣｈｅｎＨｏｎｇｘｉａ.ＭａＦｕｋａｎｇ,ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｃａｄｅｍｉｃＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ1999:159～169
[2]　ＹａｎｇＪｉａｎｈｏｎｇ,ＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｊｉａｎ.Ｓｉｎｔｅｒ-ＨＩＰＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅＬａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｔｓ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ181～184
[3]　ＷａｎｇＣｈｅｎｅｔａｌ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎＳｉ3Ｎ4ＣｅｒａｍｉｃＤｕｒｉｎｇｔｗｏＳｔｅｐｓＳｉｎｔｅｒｉｎｇ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ210～212
[4]　ＺｈａｎｇＰｅｉｚｈｉｅｔａｌ.ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰｏｓｔ-ＨＩＰ’ｅｄＳｉ3Ｎ4.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ213～217
[5]　Ｄａｎ.Ｓ.Ｐｅｒｅｒａ,ＦａｎＱｉｓｈｅｎｇ.ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅｏｎＧｒａｉｎＳｉｚｅａｎｄＰｈａｓｅＦｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＯｘｉｄｅａｎｄＮｏｎ-ＯｘｉｄｅＣｅｒａｍｉｃｓ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ245～251
[6]　ＪｉｈｏｎｇＳｈｅ,ＫａｚｕｏＵｅｎｏ.ＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅＢａｓｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ198～202
[7]　ＪｉａｎｇＤｏｎｇｌｉａｎｇｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ(ＨＩＰ)ｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｅｒａｍｉｃｓｉｎＣｈｉｎａ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ185～193
[8]　ＪｉｈｏｎｇＳｈｅ,ＫａｚｕｏＵｅｎｏ.ＵｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＨｏｔ-ＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅＢａｓｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ194～197
[9]　ＤｏｎｇＳｈａｏｍｉｎｇｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙＰｒｅｓｓｅｄＳｉＣ/Ｓｉ3Ｎ4ａｎｄＳｉＣ/β ｓｉａｌｏｎ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ239～244
[10]　ＷｕＦｅｎｇｙｉｎｇｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＦａｔｉｇｕｅＣｒａｃｋＧｒｏｗｔｈｏｆＹ-(α/β ｓｉａｌｏｎ)ＢｙＧａｓＰｒｅｓｓｕｒｅＳｉｎｔｅｒｉｎｇ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ203～209
[11]　ＳａｙｅｎｋｏＳＹｅｔａｌ.ＡｐｐｌｙｉｎｇＴｈｅＨＩＰ-ＭｅｔｈｏｄｗｉｔｈｕｓｉｎｇＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＣｌｅａｎＣｌｏｓｅｄＧａｓＣｙｃｌｅＦｏｒＳｏｌｖｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍｓｏｆＰｒｅｐａｒｉｎｇＨｉｇｈＬｅｖｅｌＷａｓｔｅｓＦｏｒＦｕｒｔｈｅｒＤｅｅｐＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＤｉｓｐｏｓａｌ.Ｐｒｏｃ.ｏｆＨＩＰ’99,ｐｐ218～223

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