摘 要

Si₃N₄陶瓷是一种重要的结构材料，它有着高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震等优点，因此成为当今新型结构材料的杰出代表之一。可被应用于许多技术领域，例如发动机的外壳、发动机中的涡轮叶片，车床中使用的切削工具以及许多其他应用。然而，由于Si₃N₄的强共价键结构和在高温下较低的扩散系数，所以在没有烧结助剂的情况下很难实现Si₃N₄陶瓷的完全致密化^[1]。本文选取Mg₂Si、YF₃作为烧结助剂，采用等离子活化烧结技术(Plasma Activated Sintering, 简称PAS)制备Si₃N₄陶瓷，主要研究了烧结温度、烧结助剂含量对其显微形貌、物相结构、致密度、热导率的影响，以备得到结构致密、性能优异的Si₃N₄陶瓷。利用阿基米德排水法、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光热导仪等方法及仪器, 系统测试表征了Si₃N₄陶瓷的结构与性能。主要研究结果如下：

1、采用等离子活化烧结技术，在1450℃、1550℃、1600℃的烧结温度下，以Mg₂Si、YF₃为烧结助剂，制备出了具有优异机械性能、高致密度、良好导热能力的Si₃N₄陶瓷。

2、烧结温度、Si₃N₄晶须含量以及烧结助剂的含量对Si₃N₄陶瓷的烧结致密化、晶型转变、热导率有着很大的影响。

Abstract

Si₃N₄ ceramics are an important structural material with high specific strength, high specific modulus, high temperature resistance, oxidation resistance and wear resistance, and thermal shock resistance. Therefore, it is one of the most outstanding representatives of new structural materials. It can be used in many technical fields, such as the outer casing of an engine, turbine blades in an engine, cutting tools used in lathes, and many other applications. However, due to the strong covalent bond structure of Si₃N₄ and the low diffusion coefficient at high temperatures, it is difficult to achieve complete densification of the Si₃N₄ ceramics without the sintering aid. In this paper, Mg₂Si and YF₃ were selected as sintering aids, and Si₃N₄ ceramics were prepared by Plasma Activated Sintering (PAS). The sintering temperature and sintering aids content were studied for its microstructure, phase structure and density. And the influence of thermal conductivity, in order to obtain Si₃N₄ ceramics with compact structure and excellent performance. The structure and properties of Si₃N₄ ceramics were characterized by means of Archimedes drainage method, X-ray diffractometer, scanning electron microscope, laser thermal conductivity meter and other methods. The main findings are as follows:

1、The plasma activated sintering technology was used to prepare Si₃N₄ ceramics with excellent mechanical properties, high density and good thermal conductivity at the sintering temperature of 1450 °C 、1550 °C、1600°C with Mg₂Si and YF₃ as sintering aids.

2、The sintering temperature,Si₃N₄ whisker content and the sintering aid content have a great influence on the sintering densification、crystal transformation of Si₃N₄ ceramics and the thermal conductivity.

Key Words：Si₃N₄ ceramics；PAS；Thermal conductivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氮化硅陶瓷材料的概述 1

1.2.1 氮化硅陶瓷的结构和性质 1

1.2.2 氮化硅陶瓷的研究现状 2

1.2.3 氮化硅陶瓷的烧结方法 3

1.3 本论文工作的提出及主要研究内容 4

第2章 实验原料及实验过程 6

2.1 实验药品及主要仪器设备 6

2.1.1 实验药品 6

2.1.2 实验主要仪器设备 6

2.2 实验流程 7

2.3 材料表征方法 10

2.3.1 致密度测试 11

2.3.2 物相表征 11

2.3.3 微观形貌及结构表征 12

2.3.4 热导率测试 12

第3章 Si₃N₄陶瓷的PAS低温烧结及其性能表征 13

3.1 引言 13

3.2 Si₃N₄陶瓷的致密度 13

3.3 Si₃N₄陶瓷的性能及结构表征 14

3.3.1 物相分析 15

3.3.2 断面形貌分析 17

3.4 Si₃N₄陶瓷热导率的测试及分析 19

第4章 结论及展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 26

附录1 27

附录2 28

第1章 绪论

1.1 引言

随着社会的发展和科技的进步，我们对于高性能的材料有了越来越高的需求。新材料成为了推动世界科技发展的主要推动力。而作为新型高性能材料的一份子，陶瓷材料又在国民经济中的能源电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可或缺的关键材料之一，并且也被广泛应用于在国防现代化建设。随着我国国民经济的高速发展，工业技术水平的不断提高，人民生活水平的不断改善以及国防现代化的需要，大量的特种陶瓷产品为市场所需要，前景十分广阔^[1,2]。

其中氮化硅（Si₃N₄）陶瓷因其具有优异的高温性能、低热膨胀系数、高耐热冲击性和耐化学腐蚀性，成为了最有前景的高温结构材料之一，该种材料的致密度、热导率等是其重要的性能指标，而这些指标会受到诸如烧结工艺、烧结助剂种类、含量、晶粒生长状况等因素的影响^[3]。

1.2 氮化硅陶瓷材料的概述

根据目前的研究，氮化硅陶瓷具有十分优异而丰富的性能，并且由于其应用需求之广泛，市面上的制备方法也很多，下文将主要择优介绍氮化硅陶瓷的性能及制备方法。

1.2.1 氮化硅陶瓷的结构和性质

假如采用固相烧结法来制备Si₃N₄陶瓷，由于纯Si₃N₄结构中的强共价键以及他较低的扩散系数，会导致烧结驱动力低，在1900℃下，难以促进Si₃N₄陶瓷的烧结致密化，并且产物在高温下会发生分解，将获得不到高性能的氮化硅陶瓷。传统来说，稀土氧化物已被用作烧结助剂以改善陶瓷的微观结构和机械性能^[4]，这些稀土氧化物在烧结过程中通过颗粒重排与Si₃N₄及其表面的SiO₂发生反应，在反应过程中又发生溶解再沉淀过程，形成共晶液相，这些液相的存在可促进Si₃N₄的低温致密化和α-β相变，并通过原位相变促进氮化硅陶瓷的致密化和晶粒长大。从另一方面来说，Si₃N₄内部具有牢固的共价键，这使其原子扩散迁移率很低，而且其分子内部的原子上的电子是被束缚的，这也导致了它不能成为热传导的载流子 ^[5,6]。

相比其他种类的结构陶瓷，Si₃N₄陶瓷材料具有明显的优势，尤其是在高温条件下，氮化硅陶瓷材料依然表现出的优异性能：耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。从Zheng等人的研究已得出的数据可知，Si₃N₄、AlN和Al₂O₃三种陶瓷基板材料的性能比较起来，可以得出如下结论：Si₃N₄陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的2倍以上, 特别是在上，而Si₃N₄陶瓷材料的可靠性更是远胜于其他二者^[7,8]。

1.2.2 氮化硅陶瓷的研究现状

在世界历史上，早在一百多年前，人类就借助自己的智慧靠人工合成了氮化硅_，但在那个时候，人们对氮化硅的印象还仅仅停留在一种较为稳定的化合物的阶段；二战后，由于时代的新新需求，生活上以及工业生产中，对具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能的材料，需求日益增大，于是，氮化硅陶瓷材料逐渐取得了重视，到20世纪70年代中期，低成本、高质量的氮化硅陶瓷制品才终于得到了广泛应用^[8]。