The Effect of Raw Components on the Densification and Properties of Nanostructured Sialon Materials / Izejas materiālu ietekme uz nanostrukturētu sialona materiālu saķepšanu un īpašībām

Abstract

Abstract Two sialon compositions (Y0,33Si10,5Al1,5O0,5N15,5 and Y0,5Si9,5Al2,5O1,0N15,0) were used to determine the effect of starting components on densification and properties of sialon materials. Plasma synthesized nanopowders (Si3N4, AlN, Al2O3, Y2O3 and 73 wt% Si3N4-27 wt%AlN nanocomposite) were used for the investigation. Materials were sintered using traditional or spark plasma sintering methods. Sintering temperature was reduced significantly, if Si3N4-AlN nanocomposite was used as one of the components. The increased amount of asialon phase and higher hardness were characteristic to materials obtained from individual Si3N4, AlN, Al2O3, Y2O3 components. Darbs veltīts dažādu izejas komponentu lomas noskaidrošanai sialonu kompozīcijas izveidē, kompakta materiāla ieguvē un ietekmē uz iegūtā materiāla īpašībām. Izgatavotas divas atšķirīgas α-sialona (Y0,33Si10,5Al1,5O0,5N15,5 un Y0,5Si9,5Al2,5O1,0N15,0) kompozīcijas kā izejvielas izmantojot augstfrekvences plazmā sintezētas Si3N4, AlN, Al2O3 un Y2O3 nanokomponentes (A sērija) un Si3N4-27 masas % AlN nanokompozītu (B sērija) ar Al2O3 un Y2O3 piedevām sastāva koriģēšanai. Kompaktu materiālu ieguvei izmantota klasiskā bezspiediena saķepināšana slāpekļa vidē (temperatūras celšanas ātrums 10 °C/min.; izturēšanas laiks 2 h) vai dzirksteļizlādes plazmas saķepināšana (temperatūras celšanas ātrums 100 °C/min.; izturēšanas laiks 5 min.) temperatūrās līdz 1700 °C. Kā ir pierādīts iepriekš, no nanopulveriem iegūto materiālu saķepināšanas temperatūra ir ievērojami zemāka nekā no submikrona izmēra rūpnieciski ražotiem pulveriem. Mūsu pētījumi liecina, ka būtiska loma sialona materiāla saķepšanā ir arī nanoizmēra izejas komponentu izvēlei. Piemēram, aizstājot atsevišķu Si3N4 un AlN nanopulveru maisījumu ar plazmā sintezētu tāda paša sastāva un dispersitātes Si3N4-AlN nanokompozītu, sialona saķepšanas temperatūra samazinās par aptuveni 100 °C. Turpretim, materiāliem, kas iegūti no atsevišķām Si3N4, AlN, Al2O3 un Y2O3 nanokomponentēm, ir raksturīgs palielināts α-sialona fāzes saturs un augstāka cietība. Tas varētu būt saistīts ar izmantoto nanopulveru veidošanās īpatnībām: iegūstot Si3N4- AlN nanokompozītu plazmā daudzas ķīmiskās mijiedarbības ir notikušas jau iegūšanas laikā - veidojas sialonu saturošas fāzes ar zemāku saķepšanas temperatūru un mazāku viskozitāti (piemēram, Si1,8Al0,2O1,2N1,8). Tāpēc paraugu, kas iegūti no Si3N4-AlN nanokompozīta, saķepšana notiek zemākā temperatūrā nekā paraugiem, kas iegūti no atsevišķām nanokomponentēm. Paraugu fāžu sastāvs ir atkarīgs no to ķīmiskā sastāva: rentgenstruktūras analīze parāda, ka α-sialonu fāzes saturs 1A paraugā ir aptuveni 50 % un paraugā 2A - aptuveni 100 %. B sērijas paraugos a-sialonu saturs ir ievērojami zemāks; tas arī nosaka materiālu īpašības, piemēram, cietību. Paraugu mikrostruktūru lielā mērā nosaka gan to ķīmiskais sastāvs, gan kompaktēšanas temperatūra. Materiālu, kas iegūti no nanopulveriem 1600 °C temperatūrā gan α-, gan β-sialonu fāžu kristalītu izmērs ir ~ 100 nm, graudu lielums ir 200-300 nm. Ievērojama adatveida kristālu veidošanās (īpaši 2A paraugam) sākas 1600-1650 °C. Vidējais adatveida kristālu diametrs ir aptuveni 200 nm un to garums ir līdz 2 μm.