BN-Si3N4復(fù)相多孔陶瓷的制備.pdf

1、透波材料是一種集透波、承載、隔熱和抗蝕等功能于一體的多功能介質(zhì)材料。Si3N4陶瓷綜合性能優(yōu)異，擁有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，是目前最有發(fā)展前途的無機(jī)天線罩材料，成為當(dāng)前天線罩研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但是脆性大、韌性差、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切偏高的缺點(diǎn)阻礙了Si3N4陶瓷的大規(guī)模應(yīng)用。BN是繼Si3N4之后比較熱門的天線罩候選材料。BN陶瓷具有比Si3N4陶瓷更好的熱穩(wěn)定性（氮?dú)饣蚨栊詺怏w條件下的分解溫度高達(dá)2640℃），介電常數(shù)(ε=4.5

2、)及介電損耗(tgδ=0.3×10-3)更低。缺點(diǎn)是強(qiáng)度和硬度較低，不耐沙蝕和雨蝕。將二者結(jié)合起來，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，滿足高速飛行條件下天線罩所需的熱學(xué)、力學(xué)以及電學(xué)等性能要求。多孔陶瓷可看作是陶瓷與空氣的復(fù)合體，空氣的介電常數(shù)極低，因此將BN/Si3N4復(fù)相陶瓷制成多孔陶瓷既保留了Si3N4原有的優(yōu)異性能，又具有相對較低的密度和低的介電常數(shù)、介電損耗。
　　 本論文采用添加造孔劑法，利用氣壓燒結(jié)工藝制備出BN/Si3N4

3、復(fù)相多孔陶瓷，分別研究了造孔劑對Si3N4基體材料組織結(jié)構(gòu)與性能的影響，BN顆粒含量、造孔劑粒度以及β-Si3N4含量對BNp/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能的影響，β-Si3N4粒度、α-Si3N4酸洗時(shí)間以及燒結(jié)助劑對BNw/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能的影響。
　　 以Si3N4基體材料為研究對象，分別以苯甲酸、硬脂酸、碳酸氫銨、羧甲基纖維素鈉(CMC)、聚乙烯醇(PVA)、石墨和酚醛樹脂為造孔劑，制備了多孔

4、Si3N4陶瓷。綜合比較添加不同造孔劑的試樣的微觀組織、力學(xué)性能和介電性能，最終選用苯甲酸為造孔劑。顯氣孔率為12.67％時(shí)，試樣彎曲強(qiáng)度為316.49MPa，斷裂韌性為5.22MPa·m1/2，介電常數(shù)為5.74，介質(zhì)損耗角正切值為0.016。
　　 BN顆粒的添加阻礙了Si3N4基體材料的致密化。隨著BN顆粒含量的增加，BNp/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷的顯氣孔率顯著增加，力學(xué)性能下降，但是介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值降低，介電性

5、能提高。添加10wt.％BN顆粒的BNp/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷，顯氣孔率達(dá)到20.08％，彎曲強(qiáng)度達(dá)到190.1MPa，斷裂韌性達(dá)到4.16MPa·m1/2，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值分別為5.14和0.0085。
　　 造孔劑的粒度對BNp/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷性能影響較大。隨著造孔劑粒度的增加，復(fù)相陶瓷彎曲強(qiáng)度由245.4MPa降低到190.1MPa，降低了29.1％;斷裂韌性由4.30MPa·m1/2降低到4.16MP

6、a·m1/2，降低了3.4％，雖然介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值略微減小，但是綜合性能較差。因此造孔劑粒度越小，復(fù)相陶瓷綜合性能越好。
　　 在初始α-Si3N4原料中添加細(xì)晶β-Si3N4顆粒，在相變及晶粒長大過程中充當(dāng)晶種的作用，從而得到分布均勻、長徑比高的棒狀β-Si3N4晶粒，可有效降低缺陷的數(shù)量，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)。添加5wt.％β-Si3N4顆粒的BNp/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷，氣孔率為23.45％，彎曲強(qiáng)度為158.1MPa

7、，斷裂韌性為3.35MPa·m1/2，介電常數(shù)為4.65，介質(zhì)損耗角正切值為0.0058。β-Si3N4添加量多于10wt.％時(shí)，晶粒會變得粗大，氣孔也越來越多，性能急劇下降。
　　 BN晶須材料綜合了BN材料以及晶須材料的優(yōu)異性能，具有低介電常數(shù)、高熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。將BN晶須作為增強(qiáng)相加入到Si3N4基體材料中，可以使Si3N4材料在具有較高力學(xué)性能的基礎(chǔ)上擁有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值。在初始Si3N4原料

8、中添加細(xì)晶β-Si3N4顆粒，制備出BNw/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷。添加中位粒徑為0.5μm的β-Si3N4顆粒的復(fù)相陶瓷長柱狀晶粒較多，分布較均勻，顯氣孔率為19.75％，彎曲強(qiáng)度為193.1MPa，斷裂韌性為4.21MPa·m1/2，介電常數(shù)為5.18，介質(zhì)損耗角正切值為0.0088;隨著添加的β-Si3N4顆粒粒徑的增大，復(fù)相陶瓷氣孔率上升，試樣中長柱狀晶粒逐漸減少，晶粒尺寸逐漸變大，力學(xué)性能下降。
　　 實(shí)驗(yàn)選取了YAG

9、、MgO+YAG、La2O3+YAG、Sm2O3+YAG、Dy2O3+YAG五種體系的燒結(jié)助劑，研究了不同燒結(jié)助劑體系及其組分配比對BNw/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷性能的影響。La2O3+YAG復(fù)合燒結(jié)助劑對BNw/Si3N4復(fù)相多孔陶瓷致密化促進(jìn)作用最強(qiáng)，La2O3含量為燒結(jié)助劑總量的16.67wt.％時(shí)，促進(jìn)燒結(jié)效果最好，顯氣孔率為13.48％，彎曲強(qiáng)度為282.6MPa，斷裂韌性為4.9MPa·m1/2，介電常數(shù)為5.87，介質(zhì)損耗