.png)
.png)
Послать статью по эл. почте 
Прочностные и теплофизические свойства плотных и пористых материалов на основе нитрида кремния
https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-3-45-51
Аннотация
Методами реакционного, жидкофазного спекания и горячего прессования получены плотные материалы на основе Si3N4 с оксидными активирующими спекание добавками, определены их физико-механические свойства. Пористые образцы получали полусухим формованием заготовок из смеси Si3N4 + Si с последующим реакционным спеканием в среде азота. Пористость регулировали уменьшением концентрации кремния в исходной шихте. Теплопроводность материалов сильно зависит от пористости и уменьшается при возрастании температуры. Теплопроводность горячепрессованных материалов уменьшается от 60 Вт/(м·К) при комнатной температуре до 35 Вт/(м·К) при 1200 °С, прирост массы образцов при 1200 °С составил 7·10‒4 кг/м2. Прирост массы пористых материалов увеличивается от 4·10‒3 кг/м2 при пористости образцов 32 % до 6·10‒3 кг/м2 при пористости 56 %. Показано, что примесь кислорода является главной причиной снижения теплопроводности Si3N4-керамики.
Об авторах
С. Н. ПеревисловРоссия
Доктор технических наук.
Санкт-Петербург.
И. Е. Арлашкин
Россия
Санкт-Петербург.
О. Ю. Щербакова
Россия
Кандидат технических наук.
Красноярск.
Список литературы
1. Briggs, J. Engineering ceramics in Europe and the USA / J. Briggs. ― Enceram, Menith Wood. UK : Worcester, 2011. ― 311 р.
2. Zhu, X. Post-densification behavior of reaction-bonded silicon nitride (RBSN): еffect of various characteristics of RBSN / X. Zhu, Y. Zhou, K. Hirao // J. Mater. Sci. ― 2004. ― Vol. 39, № 318. ― P. 5785‒5797. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000040090.33370.66.
3. Klemm, H. Silicon nitride for high-temperature applications / H. Klemm // J. Am. Ceram. Soc. ― 2010. ― Vol. 93, № 6. ― P. 1501‒1522. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.03839.x.
4. Becher, P. F. Observations on the influence of secondary Me oxide additives (Me = Si, Al, Mg) on the microstructural evolution and mechanical behavior of silicon nitride ceramics containing Re2O3 (Re = La, Gd, Lu) / P. F. Becher, N. Shibata, G. S. Painter [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 2010. ― Vol. 93. № 2. ― P. 570‒580. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03435.x.
5. Jiang, Q. G. Influence of powder characteristics on hot-pressed Si3N4 ceramics / Q. G. Jiang, W. M. Guo, W. Liu [et al.] // Sci. Sinter. ― 2017. ― Vol. 49, № 1. ― P. 81‒89. https://doi.org/0.2298/SOS1701081J.
6. Nesmelov, D. D. Reaction sintered materials based on boron carbide and silicon carbide / D. D. Nesmelov, S. N. Perevislov // Glass Ceram. ― 2015. ― Vol. 71, № 9/10. ― P. 313‒319. https://doi.org/10.1007/s10717-015-9677-7.
7. Park, J. S. Optimization of binder burnout for reaction bonded Si3N4 substrate fabrication by tape casting method / J. S. Park, H. J. Lee, S. S. Ryu [et al.] // J. Korean Ceram. ― 2015. ― Vol. 52, № 6. ― P. 435‒440. https://doi.org/10.4191/kcers.2015.52.6.435.
8. Perevislov, S. N. Sintering behavior and properties of reaction-bonded silicon nitride / S. N. Perevislov // Russ. J. Appl. Chem. ― 2021. ― Vol. 94, № 2. ― P. 143‒151. https://doi.org/10.1134/S1070427221020038.
9. Perevislov, S. N. Properties of SiC and Si3N4 based composite ceramic with nanosize component / S. N. Perevislov, D. D. Nesmelov // Glass Ceram. ― 2016. ― Vol. 73, № 7/8. ― P. 249‒252. https://doi.org/10.1007/s10717-016-9867-y.
10. Lysenkov, A. S. Silicon nitride ceramics with light-melting sintering additive in CaO‒TiO2 system / A. S. Lysenkov, S. N. Ivicheva, D. D. Titov [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. IOP Publ. ― 2019. ― Vol. 525, № 1. ― P. 012080. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012080.
11. Li, W. Effect of Si addition on the mechanical and thermal properties of sintered reaction bonded silicon nitride / W. Li, Y. Wu, R. Huang [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 15. ― P. 4491‒4496. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.06.029.
12. Yao, D. The effect of fabrication parameters on the mechanical properties of sintered reaction bonded porous Si3N4 ceramics / D. Yao, Y. Xia, K. H. Zuo [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2014. ― Vol. 34, № 15. ― P. 3461‒3467. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.06.018.
13. Park, Y. J. Sintered reaction-bonded silicon nitrides with high thermal conductivity: the effect of the starting Si powder and Si3N4 diluents / Y. J. Park, M. J. Park, J. M. Kim [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2014. ― Vol. 34, № 5. ― P. 1105‒1113. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.040.
14. Lange, F. F. Fracture toughness of Si3N4 as a function of the initial α-phase content / F. F. Lange // J. Am. Ceram. Soc. ― 1979. ― Vol. 62, № 7/8. ― P. 428‒430. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1979.tb19096.x.
15. Hwang, C. M. In Proc. Sintering‘87 / C. M. Hwang, T. Y. Tien, I.-W. Chen. ― Essex : Elsevier Applied Science Publishers, 1988. ― 1034 p.
16. Nesmelov, D. D. Precipitation of the eutectic Al2O3‒ZrO2 (Y2O3) on the surface of SiC particles / D. D. Nesmelov, O. A. Kozhevnikov, S. S. Ordan’yan [et al.] // Glass Ceram. ― 2017. ― Vol. 74, № 1. ― P. 43‒47. https://doi.org/10.1007/s10717-017-9925-0.
17. Perevislov, S. N. High density boron carbide ceramics / S. N. Perevislov, P. V. Shcherbak, M. V. Tomkovich // Refract. Ind. Ceram. ― 2018. ― Vol. 59, № 1. ― P. 32‒36. https://doi.org/10.1007/s11148-018-0178-4. [Перевислов, С. Н. Высокоплотная керамика на основе карбида бора / С. Н. Перевислов, П. В. Щербак, М. В. Томкович // Новые огнеупоры. ― 2018. ― № 1. ― С. 33‒37.]
18. Perevislov, S. N. Phase composition and microstructure of reaction-bonded boron-carbide materials / S. N. Perevislov, P. V. Shcherbak, M. V. Tomkovich // Refract. Ind. Ceram. ― 2018. ― Vol. 59, № 2. ― P. 179‒183. https://doi.org/10.1007/s11148-018-0202-8. [Перевислов, С. Н. Фазовый состав и микроструктура реакционно-связанных материалов на основе карбида бора / С. Н. Перевислов, П. В. Щербак, М. В. Томкович // Новые огнеупоры. ― 2018. ― № 4. ― С. 96‒100.]
19. Perevislov, S. N. Microstructure and mechanical properties of SiC-materials sintered in the liquid phase with the addition of a finely dispersed agent / S. N. Perevislov, I. B. Panteleev, A. P. Shevchik [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2018. ― Vol. 58, № 5. ― P. 577‒582. https://doi.org/10.1007/s11148-018-0148-x. [Перевислов, С. Н. Микроструктура и механические свойства LPSSiC-материалов с высокодисперсной спекающей добавкой / С. Н. Перевислов, И. Б. Пантелеев, А. П. Шевчик [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 10. ― С. 42‒47.]
20. Zhukov, I. A. The use of intermetallic AlxMgy powder to obtain AlMgB14-based materials / I. A. Zhukov, P. Y. Nikitin, A. B. Vorozhtsov [et al.] // Materials Today Communications. ― 2020. ― Vol. 22. ― P. 100848. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2019.100848.
21. Gu, J. Thermal conductivity and mechanical properties of aluminum nitride filled linear low-density polyethylene composites / J. Gu, Q. Zhang, J. Dang [et al.] // Polymer Engineering and Science. ― 2009. ― Vol. 49, № 5. ― P. 1030‒1034. https://doi.org/10.1002/pen.21336.
22. Nishi, Y. Isotope effects on thermal conductivity of boron carbide / Y. Nishi, Y. Arita, T. Matsui [et al.] // J. Nucl. Sci. Technol. ― 2002. ― Vol. 39, № 4. ― P. 391‒394. https://doi.org/10.1080/18811248.2002.9715210.
23. Перевислов, С. Н. Теплопроводность карбидо-кремниевых материалов / С. Н. Перевислов // Вопросы материаловедения. ― 2011. ― № 2. ― С. 73‒79.
24. Перевислов, С. Н. Исследование теплопроводности материалов на основе карбида и нитрида кремния / С. Н. Перевислов, М. А. Марков, Ю. А. Кузнецов [и др.] // Технология металлов. ― 2020. ― № 4. ― С. 12‒20.
25. Xu, Y. Increasing the thermal conductivity of boron nitride and aluminum nitride particle epoxy-matrix composites by particle surface treatments / Y. Xu, D. D. L. Chung // Compos. Interfaces. ― 2000. ― Vol. 7, № 4. ― P. 243‒256. https://doi.org/10.1163/156855400750244969.
26. Ryabkov, Yu. Structural design and properties of layered nanocomposite titanium carbide ‒ silicide materials / Yu. Ryabkov, P. Istomin, N. Chezhina // Mater. Phys. Mech. ― 2001. ― № 3. ― Р. 101‒107.
27. Tani, E. Gas-pressure sintering of Si3N4 with concurrent addition of Al2O3 and 5 wt. % rare earth oxide: High fracture toughness Si3N4 with fiber-like structure / E. Tani, S. Umebayashi, K. Kishi [et al.] // Am. Ceram. Soc. Bull. ― 1986. ― Vol. 65, № 9. ― P. 1311‒1315.
28. Watari, K. Effect of grain size on the thermal conductivity of Si3N4 / K. Watari, K. Hirao, M. Toriyama [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 1999. ― Vol. 82, № 3. ― P. 777‒779. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1999.tb01835.x.
29. Hirosaki, N. Effect of seeding on the thermal conductivity of self-reinforced silicon nitride / N. Hirosaki, Y. Okamoto, F. Munakata [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 1999. ― Vol. 19, № 12. ― P. 2183‒2187. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00030-8.
30. Hirao, K. High thermal conductivity silicon nitride ceramic / K. Hirao, K. Watari, H. Hayashi [et al.] // MRS Bulletin. ― 2001. ― Vol. 26, № 6. ― P. 451‒455. https:// doi.org/10.1557/mrs2001.115.
31. Argon, A. S. Mechanical properties of porous, high temperature structural materials: surces of toughness in reaction bonded silicon nitride / A. S. Argon, J. S. Haggerty. ― Massachusetts Inst. of Tech. Carbidge Dept. of mechanical engineering, 1995. ― 178 p.
32. Padture, N. P. In situ-toughened silicon carbide / N. P. Padture // J. Am. Ceram. Soc. ― 1994. ― Vol. 77, № 2. ― P. 519‒523. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1994.tb07024.x.
33. Hayashi, H. MgSiN2 addition as a means of increasing the thermal conductivity of β-silicon nitride / H. Hayashi, K. Hirao, M. Toriyama [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 2001. ― Vol. 84, № 12. ― P. 3060‒3062. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2001.tb01141.x.
Дополнительные файлы
Для цитирования: Перевислов С.Н., Арлашкин И.Е., Щербакова О.Ю. Прочностные и теплофизические свойства плотных и пористых материалов на основе нитрида кремния. Новые огнеупоры. 2022;(3):45-51. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-3-45-51
For citation: Perevislov S.N., Arlashkin I.E., Shcherbakova O.Y. Strength and thermophysical properties of dense and porous materials based on silicon nitride. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2022;(3):45-51. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-3-45-51
Обратные ссылки
- Обратные ссылки не определены.