关键词：
Si3N4陶瓷
制备工艺
烧结助剂
织构
导热性能
摘要：
氮化硅(Si3N4)陶瓷材料具有高强度、高硬度、低热膨胀系数及优良的抗热震性等优点。在航空航天、高铁、雷达等精密制造业中具有广阔的应用前景。由于Si3N4是共价键结合的化合物,因此烧结迁移率极低,需要通过液相烧结来完成致密化。但是在液相烧结过程中,烧结助剂的成分、均匀性和烧结工艺都可以改变Si3N4陶瓷材料的晶粒尺寸、晶界强度、晶格完整性及晶粒取向,从而影响了Si3N4陶瓷材料的性能。针对这些问题,本文以提高Si3N4陶瓷材料的性能为目标,主要研究烧结助剂均匀沉淀包覆Si3N4粉体、烧结助剂种类和烧结工艺对Si3N4陶瓷材料组织与性能的影响,并阐明Si3N4陶瓷材料的织构形成过程及影响材料疲劳性能和导热性能的机理。本研究工作对于提高Si3N4陶瓷材料的力学性能和导热性能将具有重要的理论指导意义和实用价值。具有研究工作如下:
(1)为了提高烧结助剂成分的均匀性,研究了酸洗α-Si3N4粉体的表面状态和尿素均匀沉淀法制备包覆α-Si3N4粉体的过程。结果表明:在尿素均匀沉淀法制备前驱体包覆α-Si3N4粉体时,酸洗预处理的Si3N4粉体表面发生水解形成Si-OH基团,Si-OH基团有利于Al3+和Y3+离子在α-Si3N4粉体颗粒表面的吸附;包覆的α-Si3N4粉体经过煅烧,前驱体转变为Y3Al5O12相,此时粉体已经出现烧结颈;尿素均匀沉淀法包覆的α-Si3N4粉体经热压烧结后,Si3N4陶瓷材料的抗折强度达到817±46MPa,与机械球磨法制得的陶瓷材料相比提高了77%。
(2)为了提高Si3N4陶瓷材料的力学性能及可靠性,研究了烧结助剂和烧结工艺对Si3N4陶瓷材料相变过程和力学性能的影响。结果表明:当MgO-Y2O3为烧结助剂时,热压烧结Si3N4陶瓷材料的抗折强度、维氏硬度、弹性模量及断裂韧性分别达到1039±78MPa、15.8±0.5GPa、235GPa和11.6±1.8MPa·m1/2,与Al2O3-Y2O3为烧结助剂的热压烧结陶瓷材料相比,分别提高了19%、4%、17%和17%。当应力幅为405MPa时,Si3N4陶瓷材料以MgO-Y2O3为烧结助剂的疲劳寿命是Al2O3-Y2O3为烧结助剂时疲劳寿命的10倍左右。裂纹前端的高能量消耗和晶粒表面的高残余应力利于裂纹偏转、桥接和晶粒拔出,这是其力学性能、疲劳寿命和可靠性提高的主要原因。而Al2O3-Y2O3为烧结助剂时,由于液相粘度高、Al原子阻碍β-Si3N4棒状晶粒的生长,且晶界处的Si6-zAlzOzN8-z相抑制脱粘等缘故,导致力学性能普遍降低。
(3)通过研究静态气压反应烧结Si3N4的机理,得到静态氮气下Si粉的氮化率和相变率明显高于流动气氛下的氮化率和相变率。在选用不同质量分数的Si粉进行反应烧结时,发现Si粉质量为10%时的断裂韧性达到最佳(12.0±1.10 MPa·m1/2)。结果表明:当Si粉质量分数为10%时,利于长棒状β-Si3N4晶粒粗化和断裂韧性的提高。但是随着Si质量分数的增加,β-Si3N4生长空间受限、Si、N原子及烧结助剂被Y2Si3O3N4和MgSiN2相消耗等因素影响,导致气孔增加,降低了Si3N4陶瓷材料的力学性能。
(4)通过对Si3N4陶瓷材料织构的定量分析与表征,阐述了烧结方式对β-Si3N4晶粒取向性的影响。结果表明:对于气压烧结Si3N4陶瓷材料,β-Si3N4晶粒{1120}、{1010}和{0001}的织构取向为随机分布;而对于热压烧结Si3N4陶瓷材料,大部分长棒状β-Si3N4晶粒的c轴偏转垂直于热压方向,{1120}和{1010}的织构取向强度在该方向均达到最大值。并且,织构导致热压烧结Si3N4陶瓷材料的维氏硬度和断裂韧性均具有方向性。
(5)最后,通过分析Si3N4陶瓷材料的导热性能,发现热导率主要取决于材料的热传递,这与长棒状β-Si3N4晶粒的取向、尺寸以及晶格完整性有关。结果表明:对于烧结工艺而言,反应烧结Si3N4陶瓷材料的导热系数最高可达66 W·(m·K)-1。对于烧结助剂而言,因为MgO-Y2O3为烧结助剂可以增加β-Si3N4晶格的完整性,所以其导热性优于Al2O3-Y2O3为烧结助剂的陶瓷材料。
