凝膠注模制備多孔氮化硅及其復(fù)相陶瓷透波材料的研究.pdf

1、高馬赫數(shù)導(dǎo)彈的飛速發(fā)展對天線罩用透波材料提出了嚴(yán)峻的考驗，迫切要求材料各項性能的不斷提升。本文以此為研究背景，針對現(xiàn)有氮化硅陶瓷透波材料介電常數(shù)偏高和斷裂韌性較差的問題，開展了凝膠注模成型和常壓燒結(jié)制備多孔氮化硅及氮化硅基復(fù)相陶瓷材料（Si3N4-Si2N2O）的研究，優(yōu)化了凝膠注模成型工藝，探究了陶瓷配方及燒結(jié)參數(shù)對材料綜合性能的影響。
　　優(yōu)化了凝膠注模成型工藝。在漿料配置過程中，pH調(diào)節(jié)劑的使用量隨著漿料固含量的增大而增大，

2、并且需要采取分步加料的工藝以逐漸提高漿料固含量。通過對氮化硅原料粉體進行高溫預(yù)氧化處理，能夠顯著提高氮化硅陶瓷粉體在堿性區(qū)間內(nèi)的zeta電位，在一定程度上有助于提高氮化硅陶瓷漿料的穩(wěn)定性并有效降低漿料的粘度。
　　研究了不同固含量氮化硅陶瓷素坯的收縮情況。結(jié)果表明，當(dāng)漿料固含量低于35vol.％時，陶瓷坯體在成型和燒結(jié)過程中存在較大的體積收縮（>20%），通過降低漿料固含量不能夠有效提高陶瓷孔隙率。當(dāng)漿料固含量高于40vol.%時

3、，凝膠素坯中陶瓷顆粒堆積較為緊密，通過進一步提高固含量不能夠顯著減小成型和燒結(jié)過程中體積收縮。
　　研究了燒結(jié)助劑含量、燒結(jié)溫度和保溫時間對多孔氮化硅陶瓷力學(xué)和介電性能的影響。燒結(jié)助劑的添加能夠顯著提高氮化硅陶瓷材料的力學(xué)性能，但是燒結(jié)收縮率和介電常數(shù)隨著助劑含量的增大而顯著增大。此外，較高的燒結(jié)溫度和較長的保溫時間均能有效促進氮化硅陶瓷的致密化燒結(jié)和長柱狀β氮化硅晶粒的生長，有助于提高材料的力學(xué)性能，但是高溫（>1750℃）長時

4、間燒結(jié)又會引起氮化硅的分解，導(dǎo)致陶瓷密度降低和力學(xué)性能下降。特別地，經(jīng)1650℃高溫?zé)Y(jié)3 h制備的固含量為40vol.%、助劑含量為3wt.%的多孔氮化硅陶瓷的綜合性能相對較優(yōu)，其理論孔隙率達到43.1%，燒結(jié)收縮率能夠控制在14.6%，抗彎強度和斷裂韌性分別達到了146MPa和1.44MPa·m1/2，常溫介電常數(shù)和損耗角正切值分別為3.4和0.008左右（14GHz）。
　　研究了氮化硅原料粉體的高溫氧化行為。氮化硅粉體的氧

5、化始于1200℃左右，氧化速率隨著溫度的升高而指數(shù)增大，被氧化氮化硅氧化粉體表面被無定型 SiO2包裹，當(dāng)溫度超過1400℃時，無定型SiO2出現(xiàn)明顯析晶現(xiàn)象。
　　研究了燒結(jié)溫度對氮化硅基復(fù)相陶瓷材料物相組成和微觀形貌的影響。對于陶瓷物相組成而言，當(dāng)?shù)杼沾煞垠w中SiO2含量較低時，經(jīng)1750℃高溫?zé)Y(jié)能夠得到氮化硅-氧氮化硅（Si3N4-Si2N2O）復(fù)相陶瓷，但燒結(jié)溫度過高（1850℃）， Si2N2O會發(fā)生分解。此外，當(dāng)

6、氮化硅陶瓷粉體中預(yù)氧化 SiO2含量較高時，經(jīng)1750℃和1850℃高溫?zé)Y(jié)后，陶瓷材料中僅含有 Si2N2O單一物相。在微觀形貌方面，當(dāng)燒結(jié)溫度低于1750℃時，高粘度SiO2能夠粘接氮化硅陶瓷粉體并與其發(fā)生反應(yīng)，有助于提高陶瓷的致密化程度，但當(dāng)燒結(jié)溫度過高時（1850℃），由于SiO2粘度下降，加之陶瓷發(fā)生分解放氣，會使得陶瓷發(fā)生過燒并產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)泡現(xiàn)象。
　　研究了燒結(jié)溫度對 Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷力學(xué)和介電性能的

7、影響。采用1200℃預(yù)氧化氮化硅粉體并經(jīng)1750℃高溫?zé)Y(jié)2 h制備的氮化硅基復(fù)相陶瓷具有最佳的綜合性能，其理論開孔率為42.0%，燒結(jié)收縮率控制在18.6%，陶瓷抗彎強度、彈性模量和斷裂韌性分別達到了87.9MPa、42.1GPa和1.85MPa·m1/2，常溫介電常數(shù)和損耗角正切分別為3.6和0.0034。Si2N2O第二相的引入能夠在一定程度上提升氮化硅陶瓷材料的斷裂韌性和介電性能，但結(jié)合較弱的晶間相也會導(dǎo)致材料抗彎強度的顯著下降