Y2O3對高溫氮化反應制備Mg-α-Sialon陶瓷的影響

趙宇鵬，劉 新，彭曉文，王妍月

（遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院，遼寧 鞍山 114051）

Y2O3對高溫氮化反應制備Mg-α-Sialon陶瓷的影響

趙宇鵬，劉 新，彭曉文，王妍月

（遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院，遼寧 鞍山 114051）

在燒結鎂砂中加入金屬Al粉，單質Si粉和α-Al2O3微粉，以Y2O3為助燒結劑，經1550 ℃高溫氮化反應可以合成Mgα-Sialon相。研究了Y2O3加入量不同對Mg-α-sialon陶瓷的礦物組成及微觀形貌的影響，借助于XRD分析試樣中的晶相組成和晶胞參數，采用SEM及EDS對試樣斷口的微觀形貌進行分析與觀察。結果表明：隨著Y2O3含量的提高， Mg-α-Sialon相晶格常數、晶胞體積不斷增大。固溶體YAG的形成降低了Mg-α-Sialon的合成溫度，促進了氮化反應的進行。當加入5%的Y2O3時，Mg-α-Sialon相的晶胞體積達到了最大值0．333430 nm3，形成了較為完整的棱柱狀和板狀的晶體結構，試樣的氮化率達到了15．12%。

Mg-α-sialon；Y2O3；燒結；晶胞參數

0 引 言

自然界中儲存著豐富的鎂資源，鎂質材料具有耐火度高、抗堿性渣性能好等特點[1-5]，但同時因組成鎂質耐火材料的主晶相多被CMS、C3MS2、C2F、CA、C3A及C4AF等硅酸鹽相或鐵鋁酸鹽所包覆著，這些低熔點物相在高溫條件下會成為熔渣侵入的通道，從而加快了材料的蝕損。因此，改良鎂質耐火材料，提高其抗熱震性、抗渣侵蝕性，關鍵就是如何減少其低熔點物相[6-8]。

Sialon具有與Si3N4相似的性能，由于其擁有較

低的熱膨脹系數而具有良好的抗熱震性，對氧化物潤濕性差而具有良好的抗渣侵蝕性，且在高溫下仍具有高強度、高硬度，同時它在燒結過程中能固溶某些金屬離子，減少材料晶界上低熔相含量，提高材料高溫性能等特點被認為是極具應用前途的高溫結構材料[9-16]。為了改良鎂質耐火材料的高溫使用性能，本試驗試將鎂質耐火材料的基質部分進行基質改性，以期將其低熔點物相，經過氮化反應轉化為高熔點物相Mg-α-Sialon，以改善其熱震穩定性、抗渣侵蝕性，同時還研究了Y2O3的引入對Mgα-sialon陶瓷的礦物組成及微觀形貌的影響。

Received date:2016-11-10. Revised date: 2016-11-12.

Correspondent author:LIU Xin, male, Ph. D., Lecturer.

E-mail:lxkdgm@163.com

1 實 驗

1.1 方案及制備

Mg-α-Sialon分子式為Mgv+xSi12-m-nAlm+nOnN16-n，其中m=v·x且0≤m≤12，0≤n≤16。本試驗擬設定x=1，m=2，n=1。按表1的配比稱取各種原料，置于行星式混料機中以無水乙醇作為介質濕混1 h(25 r/s)，電熱鼓風干燥箱中60 ℃干燥12 h。干燥后的粉料以酚醛樹脂和乙二醇為結合劑混合均勻，經50 MPa壓制成φ20×15 mm試樣，經電熱鼓風干燥箱190 ℃干燥24 h處理后，置于真空熱壓燒結爐中，通入高純N2，并將爐內溫度控制在1550 ℃，保溫1 h。

1.2 表 征

采用荷蘭帕納科X' Pert Powder型X射線衍射儀(銅靶，λ=1．54060，管電壓：40 kV，管電流：40 mA，采用θ-2θ連續掃描方式，步長0．0130° ，掃描范圍10-90° )測定氮化產物的物相。采用日立S-3400N型(鎢燈絲型，SE分辨率：3．0 nm (30 kV)，高真空模式；10 nm(3 kV)；放大倍率：×5-×300000)掃描電子顯微鏡觀察氮化產物斷口的微觀形貌。采用試樣氮化前后質量變化的百分率來表征氮化率。采用X'Pert Plus軟件對各試樣X射線衍射圖進行擬合，計算試樣中合成的Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為添加不同含量助燒結劑Y2O3的試樣在1550 ℃燒結后氮化反應制備Mg-α-Sialon的五組試樣的XRD圖譜。

從圖1可以看出，經1550 ℃燒結后，五組試樣均檢測到了Mg-α-Sialon相，說明在此試驗條件下氮化反應可以制備出Mg-α-Sialon。五組圖譜中均含有Mg-α-Sialon相、β-Sialon相及硅酸鋁鎂相(Neusilin)，且1#試樣中Mg-α-Sialon相、β-Sialon相的特征峰峰強相對較低。隨著助燒結劑Y2O3的引入量的增加，試樣中氮化反應合成的Mg-α-Sialon相、β-Sialon相的特征峰峰強也呈現出增長的趨勢。根據XRD的圖譜分析結果認為，助燒結劑Y2O3的引入有助于氮化反應制備Mg-α-Sialon，且隨著Y2O3的引入量的增加呈增加趨勢。

2.2 微觀結構分析

圖2(a)-(c)為1#、3#和5#試樣放大2000倍的微觀結構圖。對比圖2(a)-(c)可以發現，隨著助燒結劑Y2O3加入量的增加，微觀結構圖中5#試樣較1#、3#試樣中的Mg-α-Sialon相形貌更為完整，已產生了更為完整的片狀結構，且空隙數量減少，并發現有少量的針狀YAG相。分析認為這是由于Y2O3的加入促進了液相的生成，在氮化反應中液相的生成促進了燒結。

圖1 1550 ℃燒結后試樣XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the samples sintered at 1550 ℃

表1 試驗原料配比 (wt.%)Tab.1 Batching of raw materials for the fi rst formation (wt.%)

圖2 1#、3#和5#試樣分別放大2000倍和5000倍的SEM照片Fig.2 SEM micrographs of specimens #1, #3 and #5 amplified 2000 and 5000 times separately (a) #1 amplif i ed 2000 times; (b) #3 amplif i ed 2000 times; (c) #5 amplif i ed 2000 times; (d) #1 amplif i ed 5000 times; (e) #3 amplif i ed 5000 times; (f) #5 amplif i ed 5000 times;

圖2 (d)-(f)為1#、3#和5#試樣放大5000倍的微觀結構圖及1、2、3三點的能譜圖示。分析可知，隨著助燒結劑Y2O3加入量的增加，試樣中氮化反應合成的Mg-α-Sialon相的形貌更為完整，從1#試樣中的短柱狀變為3#試樣中的長棱柱狀。當Y2O3的加入量增加到5%時， 5#試樣中Mg-α-Sialon相則變成為片狀結構。微觀結構分析說明，添加Y2O3可促進氮化反應制備Mg-α-Sialon，這和XRD分析結果一致。

2.3 晶格常數及氮化率分析

為說明助燒結劑Y2O3的引入量的改變對氮化反應制備Mg-α-Sialon的影響，采用X'Pert Plus軟件對各試樣X射線衍射圖進行擬合，計算各試樣中合成的Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積。通過X射線衍射圖的定性分析證明了合成Mg-α-Sialon相始終保持著六方晶體組群狀結構，Mg-α-Sialon相晶面指數(hkl)、晶格常數與晶面間距dhkl滿足公式1所示關系。因此通過擬合(0,0,15) 晶面和(1,0,1)晶面對應的晶面間距dhkl，利用公式1計算可得到Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積如表2所示。

表2為加入不同數量助燒結劑Y2O3的五組試樣中合成的Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積。分析五組試樣晶格常數和晶胞體積的變化趨勢可發現，添加1% Y2O3的1#試樣晶胞體積只有0．332743 nm3；隨著Y2O3的加入量的增加，試樣的晶格常數和晶胞體積呈增大的趨勢，添加3% Y2O3的3#試樣的晶胞體積達到了0．333610 nm3；當助燒結劑Y2O3的加入量為5%時，5#試樣的晶胞體積為0．333430 nm3，略微減小。對比分析各組試樣中Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積的變化關系，認為稀土氧化物Y2O3的引入使離子半徑較大的Y3+占據了離子半徑較小的Al3+位置，形成了結構缺陷和空位，使O2-、Al3+更易置換N3-、Si4+，促進了Mg-α-Sialon的合成。

表2 Mg-α-Sialon相的晶格常數和晶胞體積Tab.2 Cell parameters and volume of Mg-α-Sialon

圖3為添加不同數量助燒結劑Y2O3的試樣在真空爐中經1550 ℃氮化反應燒結后的氮化率圖。

從圖3中可以看出，在真空爐中經1550 ℃氮化反應燒結后， 1#試樣的氮化率僅為13．31%左右。隨著助燒結劑引入量的增加，氮化率均有了不同程度的提高。其中， 2#試樣的氮化率為14．09%；3#試樣的氮化率達到了14．03%；4#試樣的氮化率為15．06%；5#試樣的氮化率最高，達到了15．12%。由此可知，隨著助燒結劑的增加，試樣的氮化率基本呈增加趨勢且當加入量為5%時氮化率達到最大值。

圖3 1550 ℃燒結后試樣的氮化率Fig.3 Nitriding rate of the samples sintered at 1550 ℃

3 結 論

(1)在燒結鎂砂中，加入金屬Al粉，單質Si粉和α-Al2O3微粉，以Y2O3為助燒結劑，經1550 ℃高溫氮化反應可以合成Mg-α-Sialon相。

(2)隨著助燒結劑Y2O3加入量的增加，Mg-α-Sialon相晶格常數、晶胞體積不斷增大，生成量增加。

(3)Y2O3的引入可以提高試樣氮化率，使得Mg-α-Sialon相的微觀形貌由短柱狀向長棱柱狀以及片狀結構發展。

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Effect of Y2O3on Preparation of Mg-α-Sialon Ceramics by High Temperature Nitridation

ZHAO Yupeng, LIU Xin, PENG Xiaowen, WANG Yanyue
(School of High Temperature Materials and Magnesite Resources Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning, China)

Mg-α-Sialon material was synthesized by nitridation at 1550 ℃, using Al, Si and α-Al2O3doped magnesite clinker as raw material, and Y2O3as sintering aid. The effects of different amounts of Y2O3on the composition and microstructure of Mg-α-sialon ceramics were studied by XRD, SEM and EDS. Results showed that with the increase of Y2O3content, the lattice constant and cell volume of Mg-α-Sialon phase increased. The formation of YAG solid solution facilitated the nitridation by lowering the synthesis temperature of Mg-α-Sialon. When 5% of Y2O3was doped, the cell volume of Mg-α-Sialon phase reached the maximum of 0.333430 nm3with the formation of complete rod- and plate-like crystals, and the nitridation rate of the samples was up to 15.12%.

Mg-α-Sialon; Y2O3; sinter; cell parameter

TQ174.75

A

1006-2874(2017)02-0019-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.02.004

2016-11-10。

2016-11-12。

遼寧科技大學第六期大學生創新創業訓練計劃項目(DC2016272)資助。

劉新，女，博士，講師。