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

P. V. Andreev; Андреев П. В.; P. D. Drozhilkin; Дрожилкин П. Д.; L. S. Alekseeva; Алексеева Л. С.; K. E. Smetanina; Сметанина К. Е.; E. E. Rostokina; Ростокина Е. Е.; S. S. Balabanov; Балабанов С. С.; M. S. Boldin; Болдин М. С.; A. A. Murashov; Мурашов А. А.; G. V. Shcherbak; Щербак Г. В.

doi:10.31857/S0002337X2308002X

Получение керамики Si₃N₄ с добавкой 3 мас. % Y₂O₃–Al₂O₃ (2 : 1, 1 : 1, 3 : 5) электроимпульсным плазменным спеканием

Авторы: Андреев П.В.¹^,2, Дрожилкин П.Д.², Алексеева Л.С.², Сметанина К.Е.², Ростокина Е.Е.¹, Балабанов С.С.¹, Болдин М.С.³, Мурашов А.А.², Щербак Г.В.³
Учреждения:
1. Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук, Бокс-75
2. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
3. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Выпуск: Том 59, № 8 (2023)
Страницы: 934-941
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/231976
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X2308002X
EDN: https://elibrary.ru/BFNMEE
ID: 231976

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Методами Печини и распылительной сушки были изготовлены порошковые смеси на основе α-Si₃N₄ с 3 мас. % спекающей добавки состава Y₂O₃–Al₂O₃ в стехиометрии 2 : 1, 1 : 1 и 3 : 5. Изучены четыре образца керамики, изготовленных методом электроимпульсного плазменного спекания порошковых смесей. Спекание проводилось до температуры окончания усадки порошковых смесей со скоростью нагрева 50°C/мин и при нагрузке 70 МПа. Проведен анализ усадки порошковых смесей в процессе спекания, рассчитана энергия активация спекания, измерены плотность, микротвердость и трещиностойкость (вязкость разрушения) образцов керамики. Наибольшая твердость H_V = 16.5 ГПа при трещиностойкости K_Ic = 3.8 МПа м^1/2 была достигнута для образца с мольным соотношением оксидов Y₂O₃ : Al₂O₃ = 3 : 5, спеченного при 1860°C, уплотнение образца при этом составило 99.0%. Шихта для данного образца была синтезирована методом распылительной сушки.

Ключевые слова

нитрид кремния, керамика, электроимпульсное плазменное спекание, порошковая смесь, твердость, трещиностойкость

Список литературы

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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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