SiAlON, Si, Al, O, N ve sonuna bir metal M elementleri temelli dörtlü ve beşli oksinitridoalüminasilikat (literatürde genellikle oksinitrür olarak adlandırılır) Si-Al-O-N sisteminde fazların ilk harflerinin birleşimidir. 1971’de Japonya’da Kamigaito ve Oyama tarafından ve 1972’de İngiltere’de Jack ve Wilson tarafından keşfedildi. Si-Al-O-N sisteminde β–SiAlON’un yanı sıra farklı kompozisyonlar için farklı fazlarda mevcuttur. Fakat mühendislik anlamda en çok ilgi çeken β-SiAlON seramikleri olmuştur Robert (1999).
SiAlON üretimi için geleneksel seramik üretiminde uzun zamanlardan beri kullanılan tekniklerden biri olan sinterlenmekte olan malzemenin bir parçasının sıvı olduğu toz kompaktının basit şekilde ısıtılmasıyla oluşan sıvı hal içerisinde sinterleme sistemi kullanılmıştır. Sıvı faz sinterleme (LPS) katı hal sinterlemeyle yoğunlaştırılması zor olan Si3N4 gibi yüksek derecede kovalent bağlı seramik sistemlerde çok önemlidir. Şimdiye kadar silisyum nitrür ve β-SiAlON üretiminde yüksek yoğunluklara ulaşmak için çeşitli metal oksitler Falk (2004), Negita (1984) nitrürler (AlN gibi) ve nadir toprak element oksitleri (Y2O3 gibi) Falk (1997) kullanılmıştır. Metal oksit sinterleme yardımcılarının kullanılmasındaki önemli şart, Si3N4’ü N2 ve SiO2 veya SiO gazı olarak ayrıştırmamalıdır. Bu şartları sağlayan metal oksitler MgO, Al2O3, Sc2O3, ZrO2, CeO2, Ce2O3, LiO2, Y2O3, La2O3, CaO, BeO, HfO2, ve SrO’dir (Falk, 2004).
SiAlON malzemelerin ilk geliştirilen grubu olan β-SiAlON’lar β-Si3N4’deki Si’un3/2
kadarı Al ile yer değiştirerek oluşur. 0<z<4.2 aralığında β-Si6-zAlzOzN8-z vermek için valans dengesini sürdürmek için N, O ile eşit konsantrasyonda yük dengesini
bozmayacak şekilde yer değiştirerek β –SiAlON seramiği oluşur. Bu yüzden, z(Si-N) bağları, z(Al-O) bağları ile yer değiştirir. Bağ uzunlukları arasındaki farklılığın (Si-N için 1.74Å ve Al-O için 1.75 Å) küçük olması sebebiyle aynı zamanda kafes gerinimi de küçük olup yer değişiminin miktarı da geniştir. Başlangıç tozundaki alüminanın varlığı yoğunlaşmayı sağlayan sıvı fazın en düşük oluşum sıcaklığı olan ötektik sıcaklığını 200–300ºC kadar düşürmesi sebebiyle monolitik β-SiAlON malzemelerinin basınçsız sinterlemeyle kolayca yoğunlaştırılabilir. Nihai β- SiAlON malzemesi, uzamış β-SiAlON tanelerinin doğal takviyesi yüksek derecede tokluğa sahiptir. Bununla birlikte, 1000 MPa’a kadar iyi mukavemete ve mükemmel termal şok direncine sahiptir Jack (1976).
Kamigaito ve Oyama ve eş zamanlı olarak da Jack ve Wilson birbirinden bağımsız olarak tanımladıkları silisyum nitrür - alüminyum oksit sistemlerinde katı çözünürlükleri iki ayrı bileşiğin sıcak preslenmesi sırasında oluşur. Bununla birlikte, bu çözeltiler eğer ham madde olarak SiO2 ve AlN kullanılırsa da oluşur. Si3N4-Al2O3
ve AlN veya SiO2, Al2O3 ve AlN karışımlarından bu bağlamda bahsedilir. İlk keşfedilen form olan β katı katı çözeltisinin ilk zamanlar Si6-0.75xAl0.667xN8-xOx
formülünden oluştuğu tespit edilse de sonraki yapılan çalışmalarla β-SiAlON katı çözeltisinin formülü revize edilmiştir. Bu formüle uyan katı çözeltiler Al2O3-Si3N4
serilerine uyar. Bununla birlikte sentezleme sırasında ikinci bir faz daima oluşur. Oluşan bu ikinci faz yazara göre ya J fazı, ya X fazı, ya Oyama fazı ya da β fazı olarak adlandırılır. Bu fazın türü ve bileşimi hakkında belirsiz bazı hususlar vardır. Bazı birim hücrelerin boyutları Kamigato ve Oyama tarafından verilmiştir. Si3N4 -Al2O3 katı çözeltisi bazlı malzemeler İngiliz literatüründe çok önemli bir yüksek sıcaklık malzemesi SiAlON olarak isimlendirilir. İlk yıllarda yapılan çalışmalarda sıcak presleme yoğunlaştırılabilmiş ve yüksek sıcaklıklarda iyi mekanik özelliklere sahip olduğu karakterize edilmiştir Gugel (1975).
β-SiAlON’ların basınçsız sinterlenmesiyle teorik yoğunluğa yakın değerler başarılabilir. Fakat bunun için MgO, Y2O3 veya NdO3 gibi katkıların kullanılması prizmasıyla beş bileşenli M-Si-Al-O-N sistemleri olarak göstermek daha kolaydır. Prizmanın bazal düzlemi Si-Al-O-N karesidir. Bu alan bu durumda Si3N4-Al4N4 -Al4O6-Si3O6 sistemini gösterir Robert (1999).
Beşinci bileşenin ilavesi (Nd, Mg gibi) ön yüzeyi nitrürler olan arka üçgensel yüzeyi üçlü oksit sistemi olan bir prizma oluşturur. Tüm bileşenlerin konsantrasyonu, eş değer birimlerle ifade edilir. Yani prizmadaki herhangi bir nokta 12 pozitif ve 12 negatif valans kombinasyonunu gösterir. Şekil 4.1’de gösterildiği gibi, x uzaklığındaki P ön yüzeyden herhangi bir nokta ön yüzeyden x uzaklığındaki herhangi bir P noktası, eş değer birimlerde oksijen konsantrasyonunu gösterir ve y uzaklığı eşdeğer azot konsantrasyonunu gösterir. Örnek bir eş değer azot konsantrasyonu = y/(x+y) = 3[N]/ (2[O]+3[N]). [O] ve [N] sırasıyla herhangi bir kompozisyondaki oksijen ve azotun atomik konsantrasyonudur Robert (1999).
Prizmanın kenarları x+y=12 gibi ölçeklendirilmiştir. Dikey düzlem, her bir bölmenin iki valans birimi olduğu üzere ölçeklendirilir. P noktası bu yüzden valans birimlerindeki Mg6+ Si4+Al2+O6.6-N5.4- kompozisyonuna ve Mg2.0Si1.0Al0.67O3.3N1.8
atomik birimlerinde kompozisyona sahiptir Robert (1999).
Şekil 4.1. a) Mg-Si-Al-O-N sisteminin Jänecke prizması gösterimi b) y/(x+y)’nin eş değer N kompozisyonundaki prizmadaki dikey düzlemde P noktasının gösterilişi Robert (1999)
α-Si3N4 yapısında katı çözelti oluşumu Li, Mg, Y ve nadir toprak elementleri gibi katyonların yapıya girmesiyle stabilize edilebilir. ve (x≤2) Mex(Si,Al)12 (O,N)16 ile gösterilir. MeSiAlON sistemleri için β- Si3N4 ve α- Si3N4’de katı çözelti oluşumu için sabit ¾ katyon/anyon oranın düzlemini verir. Eğer metal Y ise kompozisyon YxSi12-(3x+y)Al3x+yOyN16y olur. Şekil 4.2a ve b kompozisyon üzerine α ve β SiAlON’un kafes parametrelerinin bağlantısını gösterir Petzow (1987). Şekil 4.2(a)’da β-SiAlON formülündeki x değişkeninin artışıyla kafes parametreleri olan a ve c değerlerindeki artış görülmektedir.
Şekil 4.2. (a) katı çözelti kompozisyonu üzerine β-Si6-zAlzOzN8-z’nun kafes parametreleri değişimi (b) kompozisyonun bir fonksiyonu olarak itriyumun içeren α-Si3N4 katı çözeltinin kafes parametreleri Petzow (1987)