.png)
.png)
Email this article 
Investigation of the phase composition and analysis of the properties of sintered and hotpressed materials based on silicon nitride
https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-2-18-26
Abstract
Methods for the synthesis of silicon nitride and the characteristics of the initial powders are studied in this work. The main methods for obtaining materials based on silicon nitride are described. Dense materials based on silicon nitride have been obtained by liquid-phase sintering and hot pressing. As a sintering additive used 3‒10 wt. % yttrium aluminum garnet (for hot-pressed materials) and 5‒20 wt. % yttrium aluminum garnet (for sintered materials). The mechanical properties (modulus of elasticity, bending strength, critical stress intensity factor, Vickers hardness) of sintered and hot-pressed materials have been studied. The maximum properties are obtained for a sintered material containing 15 wt. % oxides and hot-pressed material, containing 10 wt. % oxides. Ill. 5. Ref. 46. Tab. 3.
About the Author
S. N. PerevislovRussian Federation
References
1. Briggs, J. Engineering ceramics in Europe and the USA / J. Briggs. ― Worcester : Enceram, Menith Wood, 2011. ― 311 р.
2. Hierra, E. J. Silicon nitride: synthesis, properties and applications / E. J. Hierra, J. A. Salazar. ― Nova Science Publishers, Incorporated, 2012. ― 176 p.
3. Hoffmann, M. J. Tailoring of mechanical properties of Si3N4 ceramics / M. J. Hoffmann, G. Petzow // Springer Science & Business Media. ― 2012. ― Vol. 276. ― P. 450. DOI: 10.1007/978-94-011-0992-5.
4. Перевислов, С. Н. Микроструктура и механические свойства LPSSiC-материалов с высокодисперсной спекающей добавкой / С. Н. Перевислов, И. Б. Пантелеев, А. П. Шевчик, М. В. Томкович // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 10. ― С. 42‒47. DOI: 10.17073/1683-45182017-10-42-47.
5. Perevislov, S. N. Properties of SiC and Si3N4 based composite ceramic with nanosize component / S. N. Perevislov, D. D. Nesmelov // Glass and Ceramics. ― 2016. ― Vol. 73, № 7/8. ― P. 249‒252. DOI: 10.1007/s10717-0169867-y.
6. Perevislov, S. N. Sintering and physico-mechanical properties of materials based on silicon nitride nanoscale powders / S. N. Perevislov, O. A. Lukyanova, A. S. Lysenkov [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. ― 2020. ― Vol. 848. ― P. 012068. DOI: 10.1088/1757-899X/848/1/012068.
7. Слепцов, В. М. Особенности микроструктуры и прочность нитрида кремния с добавками редкоземельных окислов / В. М. Слепцов, О. Д. Щербина, В. А. Стигняк [и др.] // Порошковая металлургия. ― 1978. ― № 11. ― С. 55‒59.
8. Frolova, M. G. Molding features of silicon carbide products by the method of hot slip casting / M. G. Frolova, A. V. Leonov, Y. F. Kargin [et al.] // Inorg. Mater. : Appl. Res. ― 2018. ― Vol. 9, № 4. ― P. 675‒678. DOI: 10.1134/S2075113318040123.
9. Lukianova, O. A. Electrical resistivity of silicon nitride produced by various methods / O. A. Lukianova, A. N. Khmara, S. N. Perevislov [et al.] // Ceram. Int. ― 2019. ― Vol. 45, № 7. ― P. 9497‒9501. DOI: 10.1016/j. ceramint.2018.09.198.
10. Perevislov, S. N. Thermal conductivity of the materials based on silicon carbide and silicon nitride / S. N. Perevislov, M. A. Markov, Y. A. Kuznetsov [et al.] // Russian Metallurgy (Metally). ― 2020. ― Vol. 2020, № 13. ― P. 1477‒1484. DOI: 10.1134/S0036029520130297.
11. Perevislov, S. N. Production of ceramic materials based on SiC with low-melting oxide additives / S. N. Perevislov, A. S. Lysenkov, D. D. Titov [et al.] // Glass and Ceramics. ― 2019. ― Vol. 75, № 9/10. ― P. 400‒407. DOI: 10.1007/s10717-019-00094-6.
12. 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, S. N. Perevislov // Glass and Ceramics. ― 2017. ― Vol. 74, № 1/2. ― P. 43‒47. DOI: 10.1007/s10717-017-9925-0.
13. Lysenkov, A. S. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive / A. S. Lysenkov, K. A. Kim, D. D. Titov [et al.] // J. Phys.: Conf. Series. IOP Publishing. ― 2018. ― Vol. 1134, № 1. ― P. 012036. DOI: 10.1088/17426596/1134/1/012036.
14. Kargin, Y. F. Synthesis the composites Si3N4‒TiN by hot pressing / Y. F. Kargin, A. S. Lysenkov, K. A. Kim [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. ― 2019. ― Vol. 525, №. 1. ― P. 012083. DOI: 10.1088/1757-899x/525/1/012083.
15. Kim, K. A. Rheological properties of Si3N4 and Si3N4 with sintering additive CaO‒Al2O3 powders / K. A. Kim, A. S. Lysenkov, D. D. Titov [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. ― 2020. ― Vol. 848. ― P. 012032. DOI: 10.1088/1757-899X/848/1/012032.
16. Lysenkov, A. S. Silicon nitride ceramics with lightmelting sintering additive in CaO‒TiO2 system / A. S. Lysenkov, S. N. Ivicheva, D. D. Titov [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. ― 2019. ― Vol. 525, № 1. ― P. 012080. DOI: 10.1088/1757-899X/525/1/012080.
17. Закоржевский, В. В. Особенности синтеза композиций α-Si3N4‒(MgO, Y2O3) в режиме горения / В. В. Закоржевский // Порошковая металлургия. ― 2007. ― № 1/2. ― С. 10‒14.
18. Келина, И. Ю. Особенности формирования структуры и свойства композиционной керамики в системе Si3N4‒Аl2O3 / И. Ю. Келина, Л. А. Плясункова, Н. И. Ершова // Огнеупоры и техническая керамика. ― 1996. ― № 7. ― С. 7‒10.
19. Келина, И. Ю. Критерии применимости различных порошков нитрида кремния в технологии горячего прессования для получения высокоплотных и прочных материалов / И. Ю. Келина, Л. А. Плясункова // Огнеупоры и техническая керамика. ― 2000. ― № 12. ― С. 22‒26.
20. Викулин, В. В. Производство изделий на основе Si3N4 и их применение в авиационно-космической промышленности / В. В. Викулин // Перспективные материалы. ― 2006. ― № 5. ― С. 14‒19.
21. Engel, W. Starting powder requirements for hot pressing of silicon nitride / W. Engel // Powd. Met. Intern. ― 1978. ― Vol. 10, № 3. ― Р. 124‒127.
22. Perevislov, S. N. Mechanism of liquid-phase sintering of silicon carbide and nitride with oxide activating additives / S. N. Perevislov // Glass and Ceramics. ― 2013. ― Vol. 70, № 7/8. ― P. 265‒268. DOI: 10.1007/s10717-013-9557-y.
23. Андриевский, Р. А. Нитрид кремния и материалы на его основе / Р. А. Андриевский, И. И. Спивак. ― М.: Металлургия, 1984. ― 136 с.
24. Гнесин, Г. Г. Бескислородные керамические материалы / Г. Г. Гнесин. ― Киев : Техника, 1987. ― 152 с. 25. Гнесин, Г. Г. Горячепрессованные материалы на основе нитрида кремния / Г. Г. Гнесин, И. И. Осипова // Порошковая металлургия. ― 1981. ― № 4. ― С. 32‒45.
25. Hoffmann, M. J. Analysis of microstructural development and mechanical properties of Si3N4 ceramics / M. J. Hoffmann // Tailoring of mechanical properties of Si3N4 ceramics. ― 1994. ― P. 59‒72. DOI: 10.1007/978-94011-0992-5_4.
26. Bocanegra-Bernal, M. H. Mechanical properties of silicon nitride-based ceramics and its use in structural applications at high temperatures / M. H. BocanegraBernal, B. Matovic // Mater. Sci. Eng., A. ― 2010. ― Vol. 527, № 6. ― P. 1314‒1338. DOI: 10.1016/j.msea.2009.09.064.
27. Mallik, A. K. A comparative study of SiAlON ceramics / A. K. Mallik, N. C. Acikbas, F. Kara [et al.] // Ceram. Int. ― 2012. ― Vol. 38, № 7. ― P. 5757‒5767. DOI: 10.1016/J.CERAMINT.2012.04.022.
28. Hampshire, S. Silicon nitride ceramics–review of structure, processing and properties / S. Hampshire // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. ― 2007. ― Vol. 24, № 1. ― P. 43‒50.
29. Xu, X. New strategies for preparing nanosized silicon nitride ceramics / X. Xu, T. Nishimura, N. Hirosaki [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 2005. ― Vol. 88, № 4. ― P. 934‒937. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2005.00187.x.
30. Zerr, A. Elastic moduli and hardness of cubic silicon nitride / A. Zerr, M. Kempf, M. Schwarz [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 2002. ― Vol. 85, № 1. ― P. 86‒90. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00044.x.
31. Sayyadi-Shahraki, A. Densification and mechanical properties of spark plasma sintered Si3N4/ZrO2 nanocomposites / A. Sayyadi-Shahraki, S. M. Rafiaei, S. Ghadami, K. A. Nekouee // J. Alloys Compds. ― 2019. ― Vol. 776. ― P. 798‒806. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2018.10.243.
32. 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. DOI: 10.2298/SOS1701081J.
33. Berroth, K. Silicon nitride ceramics for product and process innovations / K. Berroth // Adv. Sci. Technol. ― 2010. ― Vol. 65. ― Р. 70‒77. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AST.65.70.
34. 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. DOI: 10.1134/S1070427221020038.
35. Nesmelov, D. D. Reaction sintered materials based on boron carbide and silicon carbide / D. D. Nesmelov, S. N. Perevislov // Glass and Ceramics. ― 2015. ― Vol. 71, № 9/10. ― P. 313‒319. DOI: 10.1007/s10717-015-9677-7.
36. Perevislov, S. N. Reinforced composite materials based on silicon carbide and silicon nitride / S. N. Perevislov, A. S. Lysenkov, D. D. Titov [et al.] // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. IOP Publishing. ― 2019. ― Vol. 525, № 1. ― P. 012072. DOI: 10.1088/1757-899X/525/1/012072.
37. Perevislov, S. N. Hot-pressed ceramic SiC–YAG materials / S. N. Perevislov, A. S. Lysenkov, D. D. Titov, M. V. Tomkovich // Inorg. Mater. ― 2017. ― Vol. 53, № 2. ― P. 220‒225. DOI: 10.1134/S0020168517020091.
38. 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. DOI: 10.17073/1683-4518-2018-1-33-37.
39. 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. DOI: 10.17073/1683-4518-2018-4-96-100.
40. Перевислов, С. Н. Оценка трещиностойкости реакционно-спеченных композиционных материалов на основе карбида бора / С. Н. Перевислов // Новые огнеупоры. ― 2019. ― № 3. ― С. 49‒54. DOI: 10.17073/16834518-2019-3-49-54.
41. Perevislov, S. N. Materials based on boron carbide obtained by reaction sintering / S. N. Perevislov, A. S. Lysenkov, D. D. Titov [et al.] // IOP Conf. Series : Mater. Sci. Eng. IOP Publishing. ― 2019. ― Vol. 525, № 1. ― P. 012074. DOI: 10.1088/1757-899X/525/1/012074.
42. Perevislov. S. N. Effect of Si additions on the microstructure and mechanical properties of hot-pressed B4C / S. N. Perevislov, A. S. Lysenkov, S. V. Vikhman // Inorg. Mater. ― 2017. ― Vol. 53, № 4. ― P. 376‒380. DOI: 10.1134/S0020168517040148.
43. Perevislov, S. N. Chemical resistance of liquid-phasesintered materials based on Si3N4‒BN / S. N. Perevislov, V. S. Slabov, I. B. Panteleev [et al.] // Glass and Ceramics. ― 2020. ― Vol. 76, № 11/12. ― P. 451‒456. DOI: 10.1007/ s10717-020-00221-8.
44. Шаталин, А. С. Новые конструкционные материалы на основе керамики и композитов с керамической матрицей. Ч. 1. Конструкционные керамические материалы / А. С. Шаталин, А.Г. Ромашин // Перспективные материалы. ― 2001. ― № 4. ― С. 5‒16.
45. Krstic, Z. Silicon nitride: the engineering material of the future / Z. Krstic, V. D. Krstic // J. Mater. Sci. ― 2012. ― Vol. 47, № 2. ― P. 535‒552. DOI: 10.1007/s10853-0115942-5.
Supplementary files
For citation: Perevislov S.N. Investigation of the phase composition and analysis of the properties of sintered and hotpressed materials based on silicon nitride. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2022;(2):18-26. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-2-18-26
Refbacks
- There are currently no refbacks.