grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride ceramics

3
Short communication Grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride ceramics Haitao Yang a, *, Lin Gao a , Gangqin Shao a , Runze Xu b , Peiyun Huang b a State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China b State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University of Technology, Changsha 412000, China Received 19 May 2000; received in revised form 31 May 2000; accepted 12 September 2000 Abstract The microstructure of pressureless sintered Si 3 N 4 with MgO±CeO 2 additives has been studied by TEM. The grain boundary glassy phase is observed and con®rmed directly by microdiraction. EDAX analysis suggests that the main function of CeO 2 lies in the formation of a glassy phase, which contains hardly any MgO. This cerium silicate glassy phase is good to wet Si 3 N 4 . MgO± CeO 2 is an excellent sintering aid for Si 3 N 4. Abnormal grain growth of Si 3 N 4 occurred at a sintering temperature of above 1850 C, which leads to microcracks and dislocations and is harmful to mechanical properties. # 2001 Elsevier Science Ltd and Techna S.r.l. All rights reserved. Keywords: A. Sintering; B. Microstructure; D. Si 3 N 4 ; Amorphous materials; TEM 1. Introduction Silicon nitride ceramic materials show great potential for wide applications. Sintering is a very cost-eective way to produce silicon nitride ceramics. However, it is dicult to densify pure silicon nitride into useful high strength ceramics due to its covalent nature of bonding. Metal oxides such as MgO [1,2], Al 2 O 3 [3,4], and rare- earth oxides [5±7] have been found to be eective sin- tering aids for silicon nitride. Silicon nitride is also lim- ited in its high-temperature properties due to the glassy phase formed at the grain boundaries as a result of processing with the sintering aids. This paper discusses the grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride with a combination of ceria and magnesia additives Ð although they have both been extensively studied separately with silica. 2. Experimental The composition of Si 3 N 4 (Zhuzhou Cemented Car- bide Works, China)+5 wt.% MgO (Tianjing Chemicals, China)+5 wt.% CeO 2 (Hunan Rare Earth Institute, China) was mixed and ball milled in alcohol for 24 h with WC±6% Co cemented carbide medium. The pow- der mixtures were dry pressed into bars in a steel die at 120 MPa. The compacts were embedded within a Si 3 N 4 +50 wt.% BN mixed-powder bed in a molybdenum crucible and pressureless sintered in a 1 atm N 2 atmo- sphere. Phase identi®cation was made by X-ray dirac- tion (XRD) using CuK a radiation. A H-800 transmission electron microscope ®tted with an EDAX was used for TEM work. The TEM specimens were prepared in the usual way by cutting, grinding and ®nally ion beam thinning. 3. Results and discussion 3.1. Glassy phase Fig. 1 shows a typical microstructure of the Si 3 N 4 +5% MgO+5% CeO 2 ceramics sintered at 180 C for 60 min. The relative density and bending strength of the specimen are 98.5% and 1100 MPa, respectively. More details about this research are shown in our pre- vious paper [8]. The glassy phase remains at multigrain junctions as well as b±b Si 3 N 4 grain boundaries. The 0272-8842/01/$20.00 # 2001 Elsevier Science Ltd and Techna S.r.l. All rights reserved. PII: S0272-8842(00)00117-6 Ceramics International 27 (2001) 603±605 www.elsevier.com/locate/ceramint * Corresponding author. Fax: +86-27-8787-9468. E-mail address: [email protected] (H. Yang).

Upload: haitao-yang

Post on 03-Jul-2016

218 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride ceramics

����� ���������

��� ������ ������ ����� �� � ����� ��� �������� ���� ���� �������

����� ��� ���� � ��� �� ���� ���� �� ���� �� � ��� ����

������ ��� ������ � � ����� �������� � �������� ��������� �� ��������� ����� ��������� � ��������� ����� ���� �� !���� ����� ��� ������ � �" � ���������� !����� ���� ��������� � ��������� !������� �#$���� !����

����!�� "# $�� %&&&' ����!�� ��!��� ���� (" $�� %&&&' �������� "% ������ �� %&&&

��������

)�� ������������� �� ������������ ������ �(*+ ��� $�,-.�,% ����!�� ��� �� ������ � )/$0 )�� ��� ������

������ ����� � � ���!�� �� ��1���� ������� � �����2�����0 /34� ������ �������� ���� ��� �� ����� �� .�,% ��� ��� ������� �� � ������ ������ ���� ����� ������ �� $�,0 )�� ����� ������ ������ ����� � ���� �� ��� �(*+0 $�,-.�,% � � �5������ ����� �� ��� �(*+0 4 ����� ��� ������ �� �(*+ �������� �� � ����� ����������� �� � �!� "67&

�.����� ����� �� ��������8� �� ��������� �� � ������� �� �������� ���������0� %&&" /���!�� ����� ��� �� )���� �0�0�04�� ����� �����!��0

���" �% 40 �����' 90 $������������' 30 �(*+' 4�������� ��������' )/$

� ���� ������

���� ���� ������ �������� ���� ����� ���������� ��� ���������0 ����� � � !��� ����:�2���!���� �� ������� ���� ���� �������0 ����!��� � ��;���� �� ����� ���� ���� ���� �� ������ ���������� ������� ��� �� �� ��!���� ����� �� ���0$���� �5��� ���� �� $�, <"�%=� 4�%,( <(�+=� �� ����:����� �5��� <7->= ��!� �� ���� �� � �2���!� �:���� ��� ��� ���� ����0 ���� ���� � ���� ��:��� �� ���:����������� ��������� ��� �� ��� ����������� ������ �� ��� ��� ������� �� � ������ ���������� ��� ��� ����� ���0 )�� ����� ����������� ��� ������ ������ ����� �� � ����� ��������� �� ���� ���� ��� � ��� ��� �� ������ ������ ����!�� ? �������� ���� ��!� ��� �� �5���!��� ������ ���������� ��� ����0

� ������������

)�� �������� �� �(*+ @A������ .������ .��: �� B��8�� .��CD7 ��0E$�, @)�F� .��������

.��CD7 ��0E .�,% @��� ���� /���� G�������

.��C ��� �5�� �� ��� ����� ������� ��� %+ ���� B.-HE .� ������� ��� �� �����0 )�� ���:��� �5����� ���� ��� ������� �� ��� � ����� �� ��"%& $ �0 )�� �������� ���� �� ����� ��� � �(*+

D7& ��0E 9* �5��:������ �� � ���� �������� �� �� ������������ ������ � " ��� *% ����:������0 ���� ���1���� ��� ���� � �:��� �2���:�� @��3C ��� .��� ������0 4 �:6&&�������� ������� ��������� 1���� ��� � /34���� ���� ��� )/$ ���80 )�� )/$ ������� ������������ ��� ����� ��� � ������ ���� ��1���� � ��� ���0

� ������� �� ���������

�&#& '����� (����

I�0 " ����� � ������ ������������� �� ����(*+D7E$�,D7E .�,% ������� ������ �� "6&

�.��� H& �0 )�� �����!� ����� �� ��� ������� ����� ������ ��� #607E �� ""&& $ �� �������!���0$��� ������ � ��� ��� �������� ��� ���� ��� ���:!��� ����� <6=0 )�� ������ ����� ����� �� �������F����� �� ���� �� �-� �(*+ ��� �������0 )��

&%>%:66+%J&"JK%&0&& � %&&" /���!�� ����� ��� �� )���� �0�0�0 4�� ����� �����!��0

G G L �&%>%:66+%@&& C&&"">:H

.������ G�������� %> @%&&"C H&(-H&7

���0����!��0���J������J������

� .��������� ������0 I�5L D6H:%>:6>6>:#+H60

)*+��� � ���% �8����M�� ��0��0� 0� @�0 ���C0

Page 2: Grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride ceramics

������ ����� �� � ��1���� ������� � �� ��������2������ ���� ������� �� � � �� ����� ����� ������ �� ��� � ���� �� ��� 9���� �2����� @I�0 %C0)�� ������ �� ��� /34� ������ �� � ������ ���������� ���� �� .� ��� ��� ��� ������ ����� �� �������� �� $� � !��� ��� @$�L &0H+ ��0E� �L H70(+��0E� .�L #0%( ��0E� .�L %"0(" ��0E� BL (0+6 ��0E� .���� �������� � ������ ������C0 )�� ��!���� ��������� ����� �� "6&&�.� ��� �� �������� �� ��������� ����� ��� ������ �(*+D7E $�,D7E.�,% ������� � ����� ������ �� ������ ����� ��$�,0 )�� ������ � ��1���� � ��3 ������0 I�0 (����� ��� ��3 ������ ��� ��� �(*+D7E $�,D7E.�,% ������� ������ �� "6&&

�. ��� H&�0 )���� ��� ������� �� .�,%� �� $�, � ����0 I������ !������������� ���� $�, �� ��8� ���� ��� ������ �� ����� ���� ����� �� ����� ����������� �� "+7&-"7&&�.04 �!� "77&�.� $�, ����� ���������� ���������0 $��� ������ � ��� ��� �������� ��� ���� ��� ���!��� ���8 <#=0

I�0 "0 $������������ �� ��� �(*+D7E $�,D7E .�,% �������

������ �� "6&&�. ��� H& �0

I�0 %0 /������ �2����� ������ �� � ������ �����0

I�0 (0 ��3 ������ �� ��� �(*+D7E $�,D7E .�,% �������

������ �� "6&&�. ��� H& �L �� �:�(*+' �� �:�(*+' �� $�,' ��

.�,%' �� B.0

I�0 +0 3�������� � � ����� ����� ���0

I�0 70 $�������8� � � � ����� ����� ���0

H&+ ,& -��� �� ��& . !��+��� /���������� $ 0$��#1 2��32�4

Page 3: Grain boundary glassy phase and abnormal grain growth of silicon nitride ceramics

�&$& ���+�� ���� �"��

��!��� �� � ����� ��� @4��C � ���� �� ����������� ���� ����� �� ���:������� �������0G ��� ������ ������ 4�� �������� �� ����� ���:��������� �� � �!� "67&�.0 4�� ������ ��� ��� ������ ������ �� ����� �� ��������� @I�0 +C ����������8� @I��0 7 �� HC� ���� � ������� ����� �������� ��������� @��� ��� ������� �� ��������� � ��� 76& $ �C0 ��� ��� �(*+-$�,-.�,%

������� ��� ����� ����������� ��� �� �5����"6&&�.0

� �����������

)�� �� �������� �� ��� ������ ����� ��� �:����� �(*+-$�,-.�,% ������� ��� ����� ������

�� ������ ������ �� $�,0 4 ����� ��������� �������� �� ����� ������������ �� � �!�"67&�.� ���� ��� �� ��������8� �� ��������� ����� ������� �� ��� �������� ���������0

�������� �������

����� N�� �� ������� �� ����� $���������� .���������� O!����� �� )�������� � ���8�� ��� ���!�:� �������� ���� ��� ��� ���80

����������

<"= �0 A������ P0 ������ �0 B����� ���������� ����� ���:

������ ������������� �� ��������� �� ���� �� ������:

���� ���� ����� P0 $����0 ��0 %% @"#6>C (&+"-(&6H0

<%= 40P0 ��8� 30I0 .������� )�������� �� ����:�������� ����

����� 4�0 ��!0 $����0 ��0 %+ @"##+C "6#-%"%0

<(= �0 ����� �0 )������ ���� ����������� �� ��������������

������ �� �(*+ ���� ������ P0 $����0 ��0 (& @"##7C %"#+0

<+= �0�0 ���� )0 48����� /0 O������ )�� �������������� �� �����

��������� �� ���:������� �(*+ ��� �2���� ������ �� �:

���� ���� P0 $����0 ���0 "" @"##HC "%&-"%H0

<7= P0)0 ����� .0�0 Q��8� ���� ���� �2���� �(*+ �����

�%,( �� .�,%LG �������� 4�0 .����0 ���0 9���0 7# @"#6&C 7%#-

7(%0

<H= .0$0 B��� �0 �� $0P0 ��2��� ��� ������ 1���

����:�����:�����: ���� ���� ����� P0 4�0 .����0 ���0 >#

@"##HC >66->#%0

<>= B040 ������� .0$0 $��8���8� ������� �� ��������������

�� ������ �(*+ ��� ����:����� �5�� ������� P0 4�0 .����0

���0 H+ @"#67C (&+-(&#0

<6= �0)0 ���� �0)0 ���� �0A0 ���� ����������� ����� �� ��:

�� ���� ��� ������ �� ����� $����0 ���0 9���0 77 @"##6C

"+H>-"+>(0

<#= �0)0 ���� �0)0 ���� �0A0 ���� R��1���� �� ��!��1��:

�� �� $�, ���� ����� �� �(*+-$�,-.�,% ��������

$����0 .���0 ���0 7> @"##6C ">6-"6"0

I�0 H0 $�������8� �� ������� � � ����� ����� ���0

,& -��� �� ��& . !��+��� /���������� $ 0$��#1 2��32�4 H&7