Si-,3-N-,4--BN可加工陶瓷的放電等離子燒結及其力學性能研究.pdf

1、Si3N4陶瓷由于具有耐高溫、高硬度、高強度、耐磨、抗腐蝕等諸多優(yōu)點，在結構材料的應用中取得了令人矚目的成就，但其固有的脆性和高硬度導致的難以在燒成后進行機械加工的問題限制了它的進一步使用。根據(jù)陶瓷加工的材料去除原理，通過相應的組分設計和熱處理工藝，可控制材料的顯微結構及晶界應力，使陶瓷內部產(chǎn)生弱結合面，從而獲得可加工性能。Si3N4/BN復相陶瓷是目前綜合性能最為突出的一類可加工陶瓷，擁有優(yōu)異的高溫和低溫強度、抗蠕變性能、抗熱震性能、

2、出色的耐熔融金屬腐蝕性能等。但目前存在的問題是：采用熱壓燒結可以得到強度和可加工性較好結合的Si3N4/BN復相陶瓷，但熱壓燒結能耗高、周期長，不具備生產(chǎn)的潛力；采用無壓燒結制備的Si3N4/BN復相陶瓷強度過低，無法實現(xiàn)強度和可加工性的統(tǒng)一。本文采用放電等離子燒結技術(SPS)制備Si3N4/BN復相陶瓷，在極大提高燒結效率的同時，保持可加工性，提高力學性能。研究了不同粒度的BN含量從0-40vo1％的高性能Si3N4/BN復相陶瓷。

3、系統(tǒng)研究Si3N4/BN復相陶瓷的相組成、顯微結構和力學性能，并討論組分性質和含量、燒結工藝參數(shù)、顯微結構與其性能之間的相互關系。 工藝研究確定了SPS低溫快速燒結Si3N4/BN復相陶瓷的最佳致密化條件為：燒結溫度1600～1650℃，保溫時間5min，燒結壓力30MPa。實驗結果表明隨著燒結溫度的升高(1500～1700℃)和保溫時間的延長(1-10min)，陶瓷的致密化程度有整體上升的趨勢，但溫度高于1600℃，保溫時間超

4、過5min時上升趨勢減緩，甚至有下降的趨勢。XRD結果顯示溫度的升高和保溫時間的延長有利于Si3N4中α→β相的轉變，BN含量越高，Si3N4中α相完全轉變?yōu)棣孪嗟臏囟纫苍礁摺?掃描電鏡分析(SEM)結果顯示，BN的存在阻礙Si3N4/BN復相陶瓷的燒結，Si3N4/BN顯微組織中的β-Si3N4相明顯較單相Si3N4中的β-Si3N4相細小，而且BN含量越高細化作用越明顯。使用原位合成工藝得到的Si3N4/BN納米復相陶瓷的顯

5、微組織結構較機械混合得到的含微米和亞微米BN的組織結構更加細小，說明降低引入BN尺寸的原位合成工藝有利于組織結構細化。 低強度的h-BN的引入對材料的強度產(chǎn)生明顯的劣化作用。隨著BN含量的增加，BN逐漸聚集生長導致Si3N4/BN復相陶瓷強度總體均呈下降趨勢，但仍然維持在很高的強度水平上。材料能夠保持高強度主要取決于在SPS作用下徹底的Si3N4α→β相轉變、β-Si3N4晶粒充分長大以及h-BN晶粒的均勻分布。在BN含量相同的

6、情況下，添加微米BN的Si3N4/BN復相陶瓷材料擁有最高的彎曲強度，在BN含量為30vol％時三點彎曲強度高達897MPa。材料機械加工結果表明，當BN含量大于20vol％時，所制備的Si3N4/BN復相陶瓷具有良好的機械可加工性能。 本文采用SPS制備的Si3N4/BN微米復相陶瓷所獲得的高強度已全面接近于國內外采用化學包覆和熱壓燒結制備的Si3N4/BN納米復相陶瓷的最高強度水平，而且擁有同樣優(yōu)異的可加工性能。而借助SPS