AlON泡沫陶瓷燃烧合成研究

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本文采用燃烧合成工艺,利用Al-Al2O3-N2体系放热反应,成功制备了AlON致密陶瓷,研究了其工艺规律。在该体系中加入Al(NO3)3·9H2O发泡剂,制备出了AlON单相的泡沫陶瓷,孔隙率达76%。利用多种实验手段和分析方法,研究了工艺参数对自蔓延高温合成泡沫AlON陶瓷的影响。对Al-Al2O3-N2体系的进行了反应热力学分析,研究了温度对反应自由能的影响,计算了添加剂Al2O3不同含量对燃烧反应绝热温度的影响规律。计算表明:体系的绝热温度随着Al2O3含量的增加呈现逐渐减小的趋势,结合计算结果和Merzhanov判据,初步判定Al2O3质量百分比小于82%的体系均可实现燃烧合成反应。研究了Al2O3含量对产物相组成的影响,结果表明:在Al-Al2O3-N2体系中,燃烧合成产物由AlON、未参加反应的自由Al和反应生成的AlN组成;随着添加剂Al2O3含量增加,产物中AlON的含量提高,自由Al的含量降低,产物形态由颗粒状逐渐变成板条状;产物致密度在Al2O3含量为30%时出现了一个峰值。在加入助烧剂Y2O3时,Y2O3与Al2O3在高温下反应生成Al5Y3O12,在SHS反应进行的同时伴随着液相烧结过程,促进AlON相的形成。当Al2O3含量达到60%时,除了极少量的Al5Y3O12和极少量的AlN和自由Al外,产物几乎形成了AlON的单相。研究了毛坯初始相对密度对产物性能的影响,结果表明,产物中AlON相含量随着毛坯初始孔隙率的增加而增加且产物的致密度在毛坯相对密度为ρ0=0.67处出现了一个峰值。在Al-Al2O3-N2体系中加入Al(NO3)3·9H2O做为发泡剂,在SHS工艺下可以得到AlON单相的的泡沫陶瓷,孔隙率达76%,且产物中没有引入其它杂质;产物气孔分布均匀,气孔壁内部亦有大量的微小气孔,具有类似分形的结构;AlON泡沫陶瓷产物外层圆周组织致密,对提高AlON产品的力学性能具有重要意义。Al(NO33·9H2O作为活性添加剂,其含量的增加使反应的温度升高,在本文的实验条件下,在40-50%时产物中出现熔融铸态组织,不利于泡沫陶瓷的制备;Al(NO33·9H2O为活性添加剂范围内(10-30%),不出现熔融铸态组织,随着其含量提高,产物气孔率增加。
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