结合相对SiC复相陶瓷性能的影响

摘要

本文以SiC颗粒、Si粉、Si3N4为原料，α-Al2O3、Y2O3和MgO为烧结助剂，在0.25-0.30 MPa氮气气氛下采用反应烧结工艺制备出β-Si3N4结合SiC复相陶瓷和Sialon结合SiC复相陶瓷。利用XRD(X射线衍射分析)和SEM(电子显微镜扫描)等对材料的相组成、微观结构进行了分析；针对结合相对材料性能的影响，研究了不同结合相含量、烧结温度、SiC颗粒特性(粒径以及加入比例)对材料微观结构、相组成、体积密度及室温抗弯强度强度的影响；研究了β-Si3N4结合SiC复相陶瓷导热系数的影响因素。主要研究内容和结果如下：
　　 (1)在较低温度下制备了力学性能优良的低导热β-Si3N4结合SiC复相陶瓷材料。材料的导热系数均随着结合相的增加而呈现出递减的趋势，且均低于5W/(mK)；随着结合相增加，在烧结过程中出现的液相量增加，β-Si3N4晶粒由层片状长大成为颗粒状，试样体积密度和抗弯强度都有不同程度的提升，结合相含量为50wt％的样品经1480℃烧结后体积密度和抗弯强度最高分别达到2.3103g/cm3和177 MPa。
　　 (2)以SiC、Si、Al2O3、SiO2为原料，添加MgO和Y2O3为烧结助剂，原位合成了Sialon结合SiC复相陶瓷，结合相按公式Si2-xAlxO1+xN2-x设计，x=0.25。提高结合相含量对O’-Sialon的合成有一定的促进作用，当结合相含量为60wt％时，获得了较为纯净的O’-Sialon相；复相陶瓷的典型微观结构为：SiC颗粒构成复相陶瓷骨架，O’-Sialon填充于SiC颗粒堆积孔隙中，且晶粒呈现多样化：包括短粗的柱状晶粒、板状晶粒以及部分颗粒状晶粒；结合相为60wt％的试样在1480℃烧结后体积密度和室温抗弯强度分别达到了2.2333 g/cm3和220 MPa；探索了SiC加入量和粒径大小对烧结体体积密度和抗弯强度的影响规律；SiC加入量增加，烧结后试样体积密度降低，而材料的抗弯强度随SiC含量增加剧烈下降。当加入SiC量为20wt％时，试样体积密度和抗弯强度达到了最高的2.5055 g/cm3和202 MPa；SiC颗粒的引入阻碍了结合相晶粒发育，晶粒粒径随SiC颗粒尺寸减小而减小，晶粒形状也从棒状转变为板状。