(王文丹)纳米金刚石立方相氮化硅烧结体的高温高压制备与表征.doc

纳米金刚石-立方相氮化硅烧结体的高温高压制备与表征 王文丹 贺端威 四川大学 原子与分子物理研究所 四川省成都市一环路南一段24号 610065 028摘要：采用直接相变的方法制备出了纳米的金刚石-立方相氮化硅的烧结体。石墨与六方相氮化硅的混合粉末经氮气保护球磨26小时后，在约18 GPa、2000的压力温度条件下进行烧结。对烧结产物的X射线衍射分析和扫描电镜分析表明，烧结体中的石墨和六方相氮化硅全部转变成纳米的金刚石和纳米的立方相氮化硅。烧结体的硬度测试结果显示其平均维氏硬度约为39 GPa。 关键词：立方相氮化硅 纳米金刚石 二级6-8型大腔体静高压装置 引言 α相和β相的氮化硅陶瓷由于具有较高的硬度、断裂韧性、耐磨性和热稳定性而被广泛用于工业领域，如切削刀具耐磨轴承高速涡轮机叶片等。1999年Zerr利用金刚石压砧在高于15 GPa、1700 ℃的条件下合成出立方相的Si3N4，并预测其硬度远大于α-Si3N4和β-Si3N4氮化硅，与斯石英(Stishovite)的硬度相当[1]。2000年M.Schwarz利用二级多面顶压机确定合成c-Si3N4的最低条件为13 GPa、1600 ℃[2]。2001年Jiang合成出烧结成块的纳米c-Si3N4样品，硬度和热稳定性测试结果表明该样品的维氏硬度为35.31 GPa，在大气环境中可保持到1400 ℃不发生相转变[3]。高的硬度和高的热稳定性使得立方相氮化硅具有广阔的工业应用前景。但是纯的c-Si3N4陶瓷烧结体极易裂成碎片，即使是文献[3]中的硬度测试也是在烧结体碎片上进行的。而之后对于c-Si3N4的研究又多集中在晶体结构、可压缩性、热膨胀率和动高压合成上[4,5,6]，对于怎样克服纯相c-Si3N4陶瓷烧结体碎裂的问题并没有太多研究。 本工作通过在初始材料中添加石墨，采用较高的压力、温度条件合成出了烧结很好的纳米金刚石和c-Si3N4烧结体，克服了纯相c-Si3N4陶瓷烧结体易碎裂的问题。同时硬度测试表明该烧结体的维氏硬度约为39 GPa。对于立方相氮化硅的工业应用有一定的促进作用。 实验过程 实验装置 实验采用本实验室自主发明的基于铰链式六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置。铰链式六面顶压机的六个顶锤为一级压砧，八个截面为正三角形的截角立方体碳化钨块构成二级压砧。二级压砧组合后八个截面在中心处形成一个正八面体空间，用于存放八面体传压介质和样品（见图1）。组装好的二级增压单元（包括8个WC立方块，内含样品组装的八面体传压介质和密封边）直接放入六面顶压机的压力腔内，加载时一级压砧从六个方向作用在级增压单元的六个外表面，推动8个立方块前进，挤压八面体传压介质，在腔体内部建立高压。目前该装置最高可在腔体内产生约20 GPa、2300 ℃的压力温度条件。更多细节请参文献[7,8,9]。 图1 二级增压单元实物照片[9] 样品制备 α-Si3N4 粉体与石墨粉体（均购买自阿法埃莎（天津）化学有限公司）按摩尔比1：6配比混合后，用碳化钨球在氮气环境中球磨26小时使初始粉体均匀混合。充分混合的初始粉体压制成直径1.5 mm，高3 mm的圆柱体，装入由Al2O3材质做成的样品腔内，再与金属加热管、ZrO2绝热管和八面体传压介质等组成含加热组装的八面体传压介质，见图2。 组装好的二级增压单元直接放入六面顶压机的腔内，经过3.5小时将一级加载升至245吨（单缸加载力），此时腔体内压力约为18 GPa。进入压力保持阶段后开始通电加热，当腔体温度升至约2000 ℃时，保持该温度1分钟，然后降温卸压，经过8小时将压力卸至常压，取出样品。 图3是所得样品抛光后的光学照片，图中暗黄色的部分即为样品。样品（暗黄色部分）是一个直径1.2 mm高2.5 mm的圆柱体，并且从图中可以看出样品较薄的边缘部分能透过部分光线，说明样品是半透明状的并且烧结的很好。 图2 含加热组装的八面体传压介质的剖面示意图 图3 结果与分析 X射线衍射及扫描电镜分析 图4是样品的XRD图谱，物相分析表明样品由立方相氮化硅和金刚石组成，没有残留的α- Si3N4和β- Si3N4以及石墨相。图谱中出现的两个微小的Al2O3峰由包裹样品的Al2O3管引入的。此外并没有发现其他组分的衍射峰，说明Si3N4、石墨、Al2O3之间并没有发生反应。 图5是样品抛光面的扫描电镜图片，从图中可以看出c-Si3N4和金刚石晶粒的尺寸均在数十纳米以下，无法辨认出晶粒的形貌，说明样品是纳米金刚石和纳米c-Si3N4的烧结体。 图4 样品的X射线衍射图谱 图5样品的石墨电镜图片 横坐标是晶面间距，纵坐标为衍射强度， 图