Si2N2O陶瓷材料的制備和組織性能的研究.pdf

1、氮氧化硅(Si2N2O)陶瓷是一種密度低、力學(xué)性能好的強(qiáng)共價(jià)鍵的陶瓷材料,具有優(yōu)異的介電性能、抗氧化性能、抗熱震性能,是一種很有前途的結(jié)構(gòu)功能一體化的材料。氮氧化硅(Si2N2O)的制備及其組織性能的研究,對(duì)其作為航天用天線罩、天線窗透波材料方面的應(yīng)用,具有重要意義。
　　本文以氮化硅(Si3N4)和氧化硅(SiO2)為原料,以碳酸鋰(Li2CO3)為燒結(jié)助劑,采用無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)制備了氮氧化硅(Si2N2O)陶瓷材料,研究了燒結(jié)后材

2、料的致密化行為,結(jié)合XRD、SEM等試驗(yàn)方法,研究了燒結(jié)助劑含量、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、成型條件和氮?dú)鈮簩?duì)材料的物相組成及顯微組織的影響,同時(shí)研究了材料的力學(xué)性能、介電性能、抗氧化性能、抗熱震性能隨燒結(jié)助劑含量變化的規(guī)律,然后采用放電等離子燒結(jié)(SPS)以同樣的原材料制備了氮氧化硅(Si2N2O)陶瓷,與無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行對(duì)比,研究了燒結(jié)方式對(duì)材料的組織性能的影響。
　　對(duì)無(wú)壓燒結(jié)材料的致密化的研究結(jié)果表明,燒結(jié)機(jī)制為液相燒結(jié),隨著材料中

3、燒結(jié)助劑碳酸鋰(Li2CO3)含量增加,在燒結(jié)的過(guò)程中,能夠提供更多的液相,促進(jìn)材料的燒結(jié),使材料具有更高的相對(duì)密度,但是當(dāng)燒結(jié)助劑含量過(guò)多時(shí),材料中生成的物相又發(fā)生分解產(chǎn)生氣態(tài)物相排出,導(dǎo)致材料的相對(duì)密度又下降。研究表明,制備氮氧化硅(Si2N2O)所添加的碳酸鋰(Li2CO3)含量不應(yīng)該高于7.5mol％。
　　XRD對(duì)物相種類的分析及絕熱法對(duì)物相含量的分析結(jié)果表明,不添加燒結(jié)助劑的情況下,材料中沒(méi)有Si2N2O相生成,只有S

4、i3N4的α→β相變,添加Li2CO3后,材料中就有Si2N2O合成。在對(duì)燒結(jié)溫度對(duì)物相的影響的研究中發(fā)現(xiàn),升高燒結(jié)溫度,有利于Si2N2O相的生成,在Li2CO3含量為2.5mol%時(shí),就可以獲得Si2N2O相,含量為12.39wt%,但是隨著Li2CO3含量的升高,Si2N2O相發(fā)生了分解,說(shuō)明1700℃下燒結(jié),Li2CO3含量不能高于15mol%,而降低燒結(jié)溫度到1600℃后,在Li2CO3含量為10mol%時(shí)才合成Si2N2O,

5、且在15mol%時(shí)仍然未分解,含量為88.13wt%,說(shuō)明1600℃可獲得更多的Si2N2O相。在對(duì)成型條件對(duì)物相的影響的研究中發(fā)現(xiàn),增加壓片載荷為200MPa后,在Li2CO3含量為2.5mol%時(shí)即可以獲得幾乎純的Si2N2O相,說(shuō)明高載荷壓片促進(jìn)了Si2N2O的合成。在對(duì)燒結(jié)時(shí)間對(duì)物相的影響的研究中發(fā)現(xiàn),燒結(jié)時(shí)間為2h的條件下,材料能夠更好的燒結(jié),但是對(duì)制備高純Si2N2O不利,Si2N2O發(fā)生了分解,縮短燒結(jié)時(shí)間為1h后,材料中

6、可制得更純的Si2N2O陶瓷,在Li2CO3為5mol%時(shí)得到97.62wt%的Si2N2O相。同時(shí)通過(guò)對(duì)比制備Si2N2O陶瓷過(guò)程中不同氮?dú)鈮罕Ｗo(hù)的情況,發(fā)現(xiàn)氮?dú)鈮旱纳咴谝种芐i2N2O分解的同時(shí)還會(huì)抑制Si3N4的相變。最終確定制備Si2N2O的工藝為在200MPa壓力下成型后,在1650℃、1h、0.5MPa的N2壓保護(hù)下進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。
　　SEM及EDS分析結(jié)果表明,Si2N2O的微觀形貌按照厚板、薄板、板條、棱柱的順序

7、變化,隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)、燒結(jié)溫度的升高、成型壓力的增大、Li2CO3含量的增多,Si2N2O的晶粒發(fā)育的更加完全。
　　對(duì)材料的力學(xué)性能的研究表明,隨著相對(duì)密度的升高材料的力學(xué)性能不斷的改善,且當(dāng)材料中含有一定量的Si3N4相時(shí),材料具有更好的力學(xué)性能。對(duì)材料的介電性能的研究表明,Si2N2O陶瓷具有優(yōu)異的介電性能,介電常數(shù)小,為4.50~7.12,材料的介電損耗較低,介電損耗不高于0.0151,損耗角正切不高于0.00336,

8、材料的介電性能隨著Si2N2O相含量的增加以及氣孔率的增加而改善。在對(duì)材料的抗氧化性能的研究中表明,Si2N2O陶瓷具有優(yōu)異的抗氧化性能,氧化增重隨著溫度的升高、Si2N2O含量的變大而增大,在1300℃的最高氧化增重為9.97mg/cm2。對(duì)材料抗熱震性能的研究中發(fā)現(xiàn),Si2N2O陶瓷具有優(yōu)異的抗熱震性能,隨著材料中氮氧化硅相的增多,其臨界熱震溫度升高,最高值為1277℃。
　　SPS燒結(jié)制備的Si2N2O陶瓷與無(wú)壓燒結(jié)制備的進(jìn)