SiC-AlN-R2O3与SiC-Al2O3-R'2O3系统相平衡及R2Al(Si)O3N(C)固溶体研究

As the continuation of our previous research on phase equilibrium of SiC based ceramics (NSFC 50962001, 2009-2012), we propose the studies on the phase relationships of SiC-Al2O3-R'2O3 (R'=Nd, Gd, Yb, Y) and SiC-AlN-R2O3 (R"=Ce, Pr, Sm, Eu) systems, and the possibility of solid solution formation in R2AlO3N compound, which is derived from Si-C substituted for Al-N, as the missions of present project. Hot press will be used for samples preparation. XRD, EPMA, SEM, TEM analyses will be carried out to explore the phase component and microstructure of the samples, identify the compatibility of the phases, detect the influence of the impurities in starting powders on phase composition of the systems. The high temperature phase diagrams of the ternary system will be given out. The solid solubility of of Si-C in R2Al(Si)O3N(C)solid solution will be investigated. The research results will contribute to SiC based ceramics phase diagram research and design of SiC/R2Al(Si)O3N(C) bi-materials.

在已完成国家自然科学基金项目(NSFC 50962001, 2009-2012)的基础上，申请研究SiC-AlN-R2O3(R代表Ce, Pr, Sm, Eu)与SiC-Al2O3-R'2O3(R'代表Nd, Gd, Yb, Y）三元系统相关系以及SiC-AlN-Re2O3系统的R2AlO3N化合物中Al-N被Si-C取代生成固溶体R2Al(Si)O3N(C)的可能性。采用热压方法制备样品。用X射线衍射仪，电子探针，扫描电镜，透射电镜等分析检测手段，分析鉴定样品的相组成、结构，验明各物相间的相容性关系,确定原粉料中少量杂质对相组成的影响，从而构成上述各三元系统高温实验相图，并据此研制SiC/R2Al(Si)O3N(C)二相新型陶瓷材料。研究结果可为碳化硅基陶瓷材料的高温反应及物理化学相平衡的相图数据库做出贡献，并为以固溶体作为第二相制备SiC/R2Al(Si)O3N(C)二相陶瓷提供理论和实验依据。

相图是确定材料的组分配比及处理温度等条件的重要依据，但迄今为止，有关重要结构陶瓷SiC的相图研究相对匮乏。本项目系统地研究了SiC-AlN-R2O3(R=Ce, Pr, Sm, Eu)与SiC-Al2O3-R'2O3(R'=Nd, Gd, Yb, Y等）体系的相平衡关系以及SiC-AlN-R2O3体系化合物R2AlO3N中Al-N被Si-C取代生成固溶体R2Al(Si)O3N(C)的可能性。重要结果如下。.1. 建立了包含SiO2在内的SiC-AlN-R2O3各体系的相平衡关系及其相图共14个。获得了SiC可部分进入R2AlO3N取代AlN形成R2Al1-xSixO3N1-xCx固溶体。分析确立了该固溶体属于K2NiF4(钙钛矿)结构。.2. 获得了包含SiO2在内的SiC-Al2O3-R'2O3体系相平衡关系及其相图共19个。其中，稀土铝酸盐RAM (R4Al2O9)在含Gd，Yb，Y的三个体系中存在；RAP(RAlO3)则在含Nd，Gd，Y及Pr的四个体系中存在；RAG(R3Al5O12)只在含Yb，Y的两个体系中存在；并在含Pr，Nd，Eu的三个体系中有β-Al2O3结构的化合物RAl11O18生成。.3. SiC-Al2O3-Y2O3体系的三种钇铝酸盐的生成温度各异：YAM在1150℃就已形成；1300℃时YAP开始形成；YAG则在1450℃形成，直至1700℃，这三种钇铝酸盐均与SiC共存。该结果在此类体系中具有代表性。.4. 制备成功了以Al2O3/AlN-Pr2O3、SmAlO3N、YbAM、YAM等为烧结助剂或第二相的SiC基复相陶瓷，硬度可达20GPa以上。.5. 扩展研究获得了分别含Gd, Yb, Y体系的R4Al2O9-R4Si2O7N2-2R2SiO5体系的固溶体JRAMss(R4Si2-xAlxO7+xN2-x); 并建立了分别含MgO及CaO的SiC-SiO2-ZrC-ZrO2体系相图，发现从这类体系中可简易获得ZrC陶瓷。.通过研究，确定了有关相平衡关系、建立了相图30多个，结果为高温反应及物理化学相平衡相图数据库增添了数据，能为以稀土氧化物为主要烧结助剂的SiC陶瓷材料的研究和设计提供理论依据；相关固溶体的获得，可为制备新型SiC复合陶瓷材料提供有效的复合成分；ZrC高温陶瓷的获得，为合成ZrC提供了一个简单易行且节省能源的新途径。