sic納米in復合陶瓷制備工藝的場發(fā)射掃描電鏡結(jié)合能譜分析

sic納米in復合陶瓷制備工藝的場發(fā)射掃描電鏡結(jié)合能譜分析

1納米復合陶瓷的制備及結(jié)構由于納米顆粒的獨特作用和獨特結(jié)構，納米陶瓷材料在室溫和高溫下的改性能力方面得到了顯著提高，材料的斷裂性、抗彎性、彈性模量、蠕變阻力等。是納米和材料中重要的方向和研究熱點之一。但由于納米顆粒粒徑小,比表面積大,存在大量不飽和鍵,且化學活性高,極易團聚形成二次顆粒,在致密化過程中,沒有分散開的納米顆粒很容易發(fā)生異常長大,從而使陶瓷中不存在或很少存在納米相,難以發(fā)揮納米粒子的作用。因此,納米復合陶瓷在粉體制備、素坯成型及燒結(jié)致密過程中,納米粒子的分散和分布狀態(tài)都十分重要,這直接關系到納米復合陶瓷的制備及性能。幾乎所有的納米材料的制備技術都涉及到納米粒子的尺寸和分布表征,這對納米材料的研究無疑有著重要意義。本工作是在納米TiN顆粒強化增韌碳化硅陶瓷制備納米復合碳化硅陶瓷過程中,采用掃描電鏡結(jié)合能譜分析來分析噴霧造粒制備的納米復合粉體、二步成型的素坯、無壓燒結(jié)納米復合陶瓷中納米TiN顆粒的分布狀況,以期為工藝技術優(yōu)化及納米復合陶瓷制備提供重要依據(jù)。2納米復合陶瓷的制備采用水基噴霧造粒技術制備含5wt%納米TiN顆粒的SiC復合粉體,具體過程請參見文獻。造粒粉中各成分比重分別為:SiC粉體85wt%,納米TiN顆粒5wt%,燒結(jié)助劑Al2O3和Y2O3共10wt%,YAG按Y∶Al=3∶5由氧化鋁和氧化釔引入。造粒粉采用Y11-63T型四柱液壓機進行雙面干壓成型,壓力范圍40～220MPa,然后再經(jīng)250MPa冷等靜壓終壓,從而獲得高致密陶瓷素坯;將成型好的陶瓷素坯放在真空無壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié),燒結(jié)溫度1950℃,保溫15min,再降至1850℃保溫0.5h,冷卻后制備得到所需的納米復合陶瓷。采用HitachiS-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field-emissionscanningelectronmicroscopy,FSEM)觀察試樣微觀形貌和顯微結(jié)構,并結(jié)合能譜(Energydispersivespectrometry,EDS)分析各試樣微區(qū)元素組成及分布。3結(jié)果與分析3.1納米tin元素分析圖1為SiC/納米TiN復合粉體的微觀結(jié)構照片,從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn),復合粉體中存在兩種粒徑的顆粒,一種是粒徑在0.5～1μm之間的亞微米顆粒,另一種是粒徑在100nm以下的納米顆粒。兩種顆粒的能譜分析見圖1(b)和(c),可以看出,在A處和B處的EDS圖譜中均出現(xiàn)了Ti元素的小峰,但二者中Ti元素的質(zhì)量百分比之間存在差異,圖1(b)中Ti元素的質(zhì)量百分比為4.43wt%,而圖1(c)中為1.79wt%,結(jié)合兩種顆粒的粒徑可以確定復合粉體中的納米顆粒為TiN。而大顆粒能譜分析中也出現(xiàn)Ti元素的峰,這是由于在大顆粒的表面也存在有少量的納米TiN顆粒。從A、B兩處的EDS圖譜中還可以發(fā)現(xiàn),除了Ti元素的峰外,還存在Si、C、Al、Y的峰。Si和C元素來自于基體SiC顆粒,而Al和Y元素峰的存在是由于引入燒結(jié)助劑Al2O3和Y2O3所致。由圖1(a)中也可以看出,納米TiN顆粒隨機地分布于SiC顆粒的表面或間隙中,其中一部分仍以單個顆粒的形式存在,而另一部分則以較小的軟團聚體存在,且團聚體的尺寸大約在100～150nm之間,這說明經(jīng)過噴霧干燥后,納米TiN顆粒能夠保持較好的分散狀態(tài)。在SiC/納米TiN復合粉體中,除了要求納米TiN顆粒具有較好的分散性外,其分布的均勻性也十分重要,這對復合陶瓷的性能影響很大。因此,為了考察納米TiN在復合粉體中的分布情況,將復合粉體表面放大到20000倍,對其進行元素面掃描,如圖2所示。從Si、C、Ti、N四種元素的面分布可以看出,SiC和納米TiN兩種組分的分布十分均勻,未發(fā)生成分偏析現(xiàn)象,這進一步說明利用噴霧干燥的方法可以制備出納米顆粒分散性好且各組分分布均勻的SiC/納米TiN復合粉體。3.2復合粉體的原料相對密度圖3為復合粉體成型后的素坯斷面照片及元素面分布。從圖3中可以看出,造粒粉已經(jīng)完全破碎,坯體也十分均勻致密。經(jīng)測試,復合粉體成型后,素坯相對密度可以達到62%,遠高于未經(jīng)噴霧造粒的素坯(50～55%)。從局部放大顯微結(jié)構照片看出,與原造粒粉相比,素坯中顆粒之間接觸更加緊密,納米TiN在坯體中仍然保持著良好的分散和均勻的分布狀態(tài),這說明二步成型過程中對造粒粉施加壓力和造粒粉的破碎不會影響納米TiN的分散及分布狀態(tài)。3.3tin元素在不同高溫燒結(jié)的護肝液中的穩(wěn)定性圖4為SiC/納米TiN復合陶瓷的拋光表面微觀結(jié)構照片及能譜分析。從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn),拋光表面主要為深色區(qū)域,其中也相對均勻地存在一些顏色較淺的區(qū)域。對兩種區(qū)域進行能譜分析(圖4(b)和(c)),可以看出,在A處和B處的EDS圖譜圖中均出現(xiàn)了Ti元素特征峰。圖4(b)中Ti元素的質(zhì)量百分比為21.24wt%,而圖4(c)中為4.82wt%,可見淺色區(qū)域主要為TiN顆粒,但其尺寸大于圖1(a)中的相應顆粒,這說明經(jīng)過高溫燒結(jié)后,TiN顆粒結(jié)晶并有所長大。從元素的面分布(圖5)來看,各元素的分散性依然很好,說明TiN晶粒分布十分均勻,這表明在高溫燒結(jié)過程中沒有出現(xiàn)不同組分的偏析情況,TiN顆粒在基體中的均勻分布將有利于復合陶瓷力學性能的提高。4納米tin顆粒在sic整理中的表征1.納米TiN顆粒在SiC基體(復合粉體、素坯、復合陶瓷)中均勻彌散分布對提高納米復合陶瓷力學性能十分重要,采用場掃描結(jié)合能譜分析能有效分析納米TiN顆粒在SiC基體中的分布情況