sic纳米in复合陶瓷制备工艺的场发射扫描电镜结合能谱分析

sic纳米in复合陶瓷制备工艺的场发射扫描电镜结合能谱分析

1纳米复合陶瓷的制备及结构由于纳米颗粒的独特作用和独特结构，纳米陶瓷材料在室温和高温下的改性能力方面得到了显著提高，材料的断裂性、抗弯性、弹性模量、蠕变阻力等。是纳米和材料中重要的方向和研究热点之一。但由于纳米颗粒粒径小,比表面积大,存在大量不饱和键,且化学活性高,极易团聚形成二次颗粒,在致密化过程中,没有分散开的纳米颗粒很容易发生异常长大,从而使陶瓷中不存在或很少存在纳米相,难以发挥纳米粒子的作用。因此,纳米复合陶瓷在粉体制备、素坯成型及烧结致密过程中,纳米粒子的分散和分布状态都十分重要,这直接关系到纳米复合陶瓷的制备及性能。几乎所有的纳米材料的制备技术都涉及到纳米粒子的尺寸和分布表征,这对纳米材料的研究无疑有着重要意义。本工作是在纳米TiN颗粒强化增韧碳化硅陶瓷制备纳米复合碳化硅陶瓷过程中,采用扫描电镜结合能谱分析来分析喷雾造粒制备的纳米复合粉体、二步成型的素坯、无压烧结纳米复合陶瓷中纳米TiN颗粒的分布状况,以期为工艺技术优化及纳米复合陶瓷制备提供重要依据。2纳米复合陶瓷的制备采用水基喷雾造粒技术制备含5wt%纳米TiN颗粒的SiC复合粉体,具体过程请参见文献。造粒粉中各成分比重分别为:SiC粉体85wt%,纳米TiN颗粒5wt%,烧结助剂Al2O3和Y2O3共10wt%,YAG按Y∶Al=3∶5由氧化铝和氧化钇引入。造粒粉采用Y11-63T型四柱液压机进行双面干压成型,压力范围40～220MPa,然后再经250MPa冷等静压终压,从而获得高致密陶瓷素坯;将成型好的陶瓷素坯放在真空无压烧结炉中进行无压烧结,烧结温度1950℃,保温15min,再降至1850℃保温0.5h,冷却后制备得到所需的纳米复合陶瓷。采用HitachiS-4800型场发射扫描电子显微镜(Field-emissionscanningelectronmicroscopy,FSEM)观察试样微观形貌和显微结构,并结合能谱(Energydispersivespectrometry,EDS)分析各试样微区元素组成及分布。3结果与分析3.1纳米tin元素分析图1为SiC/纳米TiN复合粉体的微观结构照片,从图1(a)中可以发现,复合粉体中存在两种粒径的颗粒,一种是粒径在0.5～1μm之间的亚微米颗粒,另一种是粒径在100nm以下的纳米颗粒。两种颗粒的能谱分析见图1(b)和(c),可以看出,在A处和B处的EDS图谱中均出现了Ti元素的小峰,但二者中Ti元素的质量百分比之间存在差异,图1(b)中Ti元素的质量百分比为4.43wt%,而图1(c)中为1.79wt%,结合两种颗粒的粒径可以确定复合粉体中的纳米颗粒为TiN。而大颗粒能谱分析中也出现Ti元素的峰,这是由于在大颗粒的表面也存在有少量的纳米TiN颗粒。从A、B两处的EDS图谱中还可以发现,除了Ti元素的峰外,还存在Si、C、Al、Y的峰。Si和C元素来自于基体SiC颗粒,而Al和Y元素峰的存在是由于引入烧结助剂Al2O3和Y2O3所致。由图1(a)中也可以看出,纳米TiN颗粒随机地分布于SiC颗粒的表面或间隙中,其中一部分仍以单个颗粒的形式存在,而另一部分则以较小的软团聚体存在,且团聚体的尺寸大约在100～150nm之间,这说明经过喷雾干燥后,纳米TiN颗粒能够保持较好的分散状态。在SiC/纳米TiN复合粉体中,除了要求纳米TiN颗粒具有较好的分散性外,其分布的均匀性也十分重要,这对复合陶瓷的性能影响很大。因此,为了考察纳米TiN在复合粉体中的分布情况,将复合粉体表面放大到20000倍,对其进行元素面扫描,如图2所示。从Si、C、Ti、N四种元素的面分布可以看出,SiC和纳米TiN两种组分的分布十分均匀,未发生成分偏析现象,这进一步说明利用喷雾干燥的方法可以制备出纳米颗粒分散性好且各组分分布均匀的SiC/纳米TiN复合粉体。3.2复合粉体的原料相对密度图3为复合粉体成型后的素坯断面照片及元素面分布。从图3中可以看出,造粒粉已经完全破碎,坯体也十分均匀致密。经测试,复合粉体成型后,素坯相对密度可以达到62%,远高于未经喷雾造粒的素坯(50～55%)。从局部放大显微结构照片看出,与原造粒粉相比,素坯中颗粒之间接触更加紧密,纳米TiN在坯体中仍然保持着良好的分散和均匀的分布状态,这说明二步成型过程中对造粒粉施加压力和造粒粉的破碎不会影响纳米TiN的分散及分布状态。3.3tin元素在不同高温烧结的护肝液中的稳定性图4为SiC/纳米TiN复合陶瓷的抛光表面微观结构照片及能谱分析。从图4(a)中可以发现,抛光表面主要为深色区域,其中也相对均匀地存在一些颜色较浅的区域。对两种区域进行能谱分析(图4(b)和(c)),可以看出,在A处和B处的EDS图谱图中均出现了Ti元素特征峰。图4(b)中Ti元素的质量百分比为21.24wt%,而图4(c)中为4.82wt%,可见浅色区域主要为TiN颗粒,但其尺寸大于图1(a)中的相应颗粒,这说明经过高温烧结后,TiN颗粒结晶并有所长大。从元素的面分布(图5)来看,各元素的分散性依然很好,说明TiN晶粒分布十分均匀,这表明在高温烧结过程中没有出现不同组分的偏析情况,TiN颗粒在基体中的均匀分布将有利于复合陶瓷力学性能的提高。4纳米tin颗粒在sic整理中的表征1.纳米TiN颗粒在SiC基体(复合粉体、素坯、复合陶瓷)中均匀弥散分布对提高纳米复合陶瓷力学性能十分重要,采用场扫描结合能谱分析能有效分析纳米TiN颗粒在SiC基体中的分布情况