Preparation of Si3N4 Ceramics with 3 wt % Y2O3–Al2O3 (2 : 1, 1 : 1, 3 : 5) Additions by Spark Plasma Sintering

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

α-Si3N4-based powder composites containing 3 wt % Y2O3–Al2O3 sintering aids with 2 : 1, 1 : 1, and 3 : 5 stoichiometries have been prepared by the Pechini process and spray drying. We have studied four ceramic samples produced by spark plasma sintering of the powder composites. The sintering process was run under a load of 70 MPa at a heating rate of 50°C/min as long as shrinkage of the powder composites continued. We have analyzed the shrinkage behavior of the powder composites during the sintering process; evaluated the activation energy for sintering; and measured the density, microhardness, and fracture toughness (cracking resistance) of the ceramic samples. The highest hardness, HV = 16.5 GPa, in combination with a fracture toughness KIc = 3.8 MPa m1/2, was offered by the material with an Y2O3 : Al2O3 molar ratio of 3 : 5 sintered at 1860°C. The corresponding densification factor was 99.0%. The starting mixture for this material was synthesized using spray drying.

About the authors

P. V. Andreev

Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances, Russian Academy of Sciences; Lobachevsky State University

Email: andreev@phys.unn.ru
603137, Nizhny Novgorod, Russia; 603022, Nizhny Novgorod, Russia

P. D. Drozhilkin

Lobachevsky State University

Email: andreev@phys.unn.ru
603022, Nizhny Novgorod, Russia

L. S. Alekseeva

Lobachevsky State University

Email: golovkina_lyudmila@mail.ru
603022, Nizhny Novgorod, Russia

K. E. Smetanina

Lobachevsky State University

Email: andreev@phys.unn.ru
603022, Nizhny Novgorod, Russia

E. E. Rostokina

Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances, Russian Academy of Sciences

Email: andreev@phys.unn.ru
603137, Nizhny Novgorod, Russia

S. S. Balabanov

Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances, Russian Academy of Sciences

Email: andreev@phys.unn.ru
603137, Nizhny Novgorod, Russia

M. S. Boldin

Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: nokhrin@nifti.unn.ru
Russia, 603022, Nizhny Novgorod

A. A. Murashov

Lobachevsky State University

Email: golovkina_lyudmila@mail.ru
603022, Nizhny Novgorod, Russia

G. V. Shcherbak

Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: nokhrin@nifti.unn.ru
Russia, 603022, Nizhny Novgorod

References

  1. Tatarkova M., Tatarko P., Sajgalik P. Si3N4 Ceramics, Structure and Properties // Encyclopedia of Materials: Technical Ceramics and Glasses. 2021. V. 2. P. 109–118. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818542-1.00021-7
  2. Klemm H. Silicon Nitride for High-Temperature Applications // J. Am. Ceram. Soc. 2010. V. 93. № 6. P. 1501–1522.https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.03839.x
  3. Zamula M.V., Kolesnichenko V.G., Stepanenko A.V., Tyschenko N.I., Shyrokov O.V., Borodianska H.Yu., Ragulya A.V. Phase Transformations and Consolidation of Si3N4 Ceramics Activated with Yttrium and Silicon Oxides in Spark Plasma Sintering // Powder Metall. Met. Ceram. 2022. V. 60. P. 672–684. https://doi.org/10.1007/s11106-022-00288-8
  4. Yu J.-J., Sun S.-K., Wei W.-X., Guo W.-M., Plucknett K., Lin H.-T. Continuous and Symmetric Graded Si3N4 Ceramics Designed by Spark Plasma Sintering at 15 MPa // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 13. P. 16703–16706. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2019.05.148
  5. Ye C., Yue X., Zong H., Liao G., Ru H. In-situ Synthesis of YAG@Si3N4 Powders with Enhanced Mechanical Properties // J. Alloys Compd. 2018. V. 731. P. 813–821. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.10.064
  6. Ceja-Cardenas L., Lemus-Ruiz J., Jaramillo-Vigueras D., de la Torre S.D. Spark Plasma Sintering of α-Si3N4 Ceramics with Al2O3 and Y2O3 as Additives and Its Morphology Transformation // J. Alloys Compd. 2010. V. 501. № 2. P. 345–351. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.04.102
  7. Андреев П.В., Алексеева Л.С., Ростокина Е.Е., Дрожилкин П.Д., Балабанов С.С., Мурашов А.А., Каразанов К.О. Синтез порошковых композитов на основе Si3N4 для электроимпульсного плазменного спекания керамики // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 10. С. 1134–1140. https://doi.org/10.31857/S0002337X22100013
  8. Ким К.А., Лысенков А.С., Федоров С.В., Петракова Н.В., Фролова М.Г., Перевислов С.Н., Каргин Ю.Ф. Изучение влияния спекающей добавки CaO–Al2O3 (48 : 52 мас. %) на фазовый состав и свойства керамики на основе Si3N4 // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 8. С. 908–916. https://doi.org/10.1134/s0020168522080040
  9. Perevislov S.N. Investigation of the Phase Composition and Analysis of the Properties of Sintered and Hot-Pressed Materials Based on Silicon Nitride // Refract. Ind. Ceram. 2022. V. 63. P. 66–73. https://doi.org/10.1007/S11148-022-00682-0
  10. Андреев П.В., Дрожилкин П.Д., Ростокина Е.Е., Балабанов С.С., Алексеева Л.С., Болдин М.С., Мурашов А.А., Щербак Г.В., Гребенев В.В., Каразанов К.О. Изготовление керамических композитов на основе порошка нитрида кремния с осажденной спекающей добавкой // Перспективные материалы. 2022. № 8. С. 76–88. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2022-8-76-88
  11. Andreev P.V., Drozhilkin P.D., Alekseeva L.S., Smetanina K.E., Rostokina E.E., Balabanov S.S., Boldin M.S., Murashov A.A., Shcherbak G.V. Spark Plasma Sintering of Si3N4 Ceramics with Y2O3 – Al2O3 (3–10 wt. %) as Sintering Additive // Coatings. 2023. № 13. P. 240. https://doi.org/10.3390/coatings13020240
  12. Чувильдеев В.Н., Болдин М.С., Дятлова Я.Г., Румянцев В.И., Орданьян С.С. Сравнительное исследование горячего прессования и высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания порошков Al2O3/ZrO2/Ti(C,N) // Журн. неорган. химии. 2015. Т. 60. № 8. С. 1088–1094. https://doi.org/10.7868/S0044457X1508005X
  13. Falk L.K.L. Microstructural Development during Liquid Phase Sintering of Silicon Carbide Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 1997. V. 17. P. 983–994. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(96)00198-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (3MB)
3.

Download (205KB)
4.

Download (115KB)
5.

Download (4MB)
6.

Download (120KB)

Copyright (c) 2023 П.В. Андреев, П.Д. Дрожилкин, Л.С. Алексеева, К.Е. Сметанина, Е.Е. Ростокина, С.С. Балабанов, М.С. Болдин, А.А. Мурашов, Г.В. Щербак

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».