PDF《硅酸盐学报》

404 ・ 《硅酸盐学报》 J Chin Ceram Soc, 2016, 44(3): 403C407

2016 年 更因其抗氧化和良好的抗热冲击与机械冲击性能, 被认为是陶瓷发动机中许多高温零部件的理想材 料,目前已得到广泛关注[1] .氮化硅陶瓷常用的烧 结方法有反应烧结、气压烧结、热等静压烧结等, 但这些方法烧结温度高、能耗大、周期长,致使材 料的制备效率低、 成本高, 从而制约了产业化发展. 放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)又称为 PAS(plasma active sintering)即 等离子活化烧结 , 是 一种快速烧结新技术.烧结时直接将脉冲电流施加 在石墨磨模具上,可以达到很高的升温速率[2] ,使 氮化硅陶瓷中的α→β的相变可以在瞬间进行和完 成,最大程度地实现氮化硅陶瓷的低温快速烧结[3] . 李家亮等[4] 以MgOCAl2O3 或MgOCAlPO4 为烧结助 剂,采用 SPS 烧结,在1450 ℃的烧结温度下,获 得了主相为αCSi3N4 的相对致密的氮化硅陶瓷. 邱海 龙等[5] 以BN 粉末为烧结助剂,在1650 ℃、压力

50 MPa、 保温

5 min 条件下, 通过 SPS 烧结制备了致密 的β相Si3N4 氮化硅. 以亚微米级α氮化硅粉为原料,采用Al2O3CY2O3 烧结助剂, 利用 SPS 烧结技术低温快速 烧结, 得到了高性能的β相氮化硅陶瓷, 并讨论了不 同烧结温度对氮化硅陶瓷力学性能和显微结构的影 响.

1 实验 1.1 原料 以亚微米级氮化硅粉(性能指标见表 1,物相组 成见图1)为原料, 烧结助剂为分析纯的Al2O

3、 Y2O3, 添加量为 4%(质量分数)、6%、8%、10%,Al2O3 和Y2O3 的质量比为 1:1. 表1氮化硅粉的主要性能指标 Table

1 Main performance indicators of silicon nitride powder w/% Diameter/μm Total content of silicon Free silicon N O Fe α-Si3N4 ≥53 ≤1.3 ≥44 ≤1.4 ≤0.25 ≥95 0.5 w―Mass fraction. 1.2 样品制备 将原料与烧结助剂按上述配比称量后放入球磨 罐中,加入无水乙醇,用行星球磨机球磨

24 h,球 磨好的浆料进行旋转蒸发、过筛.干燥后得到的混 合粉料装入石墨模具中, 用SPSC1050T 烧结炉在真 空气氛下进行烧结,烧结温度分别为

1

450、1

500、 1550和1600℃, 烧结过程中保持单向压力为50MPa, 保温时间为

5 min.烧结后的试样经切割、研磨、抛 光后用于性能表征. 图1氮化硅粉的 XRD 谱Fig.

1 XRD patternn of Si3N4 powders 1.3 样品表征 用Archimedes 排水法测量烧结后试样的体积 密度. 用PPMSC9 物理性能测试系统测试样品抗弯 强度.样品尺寸为 1.5 mm*2 mm*25 mm,跨距为

20 mm, 加载速率为 0.2 mm/min. 用TUKONTM

2500 型Vickers 硬度测试仪, 采用压痕法测量样品的断裂 韧性(载荷

20 kg,保压

15 s).用D8 型X射线衍射 仪进行物相分析.用LEOC1530 型场发射扫描电子 显微镜观察样品的断口形貌.

2 结果与讨论 2.1 烧结温度与烧结助剂对样品相对密度的影响 烧结助剂添加量与烧结温度对样品相对密度的 影响如图

2 所示.由图

2 可以看出,试样相对密度 随烧结助剂含量增加而增大.烧结助剂含量从 4% 上升到 8%时,试样相对密度由 89%迅速提高至 99%,达到致密化.随着烧结助剂含量的继续增大, 试样相对密度保持不变或略有下降.导致上述变化 的原因可归结为氮化硅是共价键化合物,硅原子和 氮原子的自扩散系数很低,陶瓷致密化所必须的体 积扩散及晶界扩散速率低,烧结驱动力小,低温下 只能依靠液相烧结达到致密化.烧结过程中液相含 量对致密化的影响很大, 如果烧结助剂的含量太低, 则形成的液相量不足,原始氮化硅粉末颗粒重排困 难, 溶解C再析出过程难以进行. 随着烧结助剂含量 增加,形成的液相量增加,物质迁移速率增大,原 始氮化硅粉末溶解在液相中并伴随着α相向β相的转 变,相变带来的驱动力促进了β相氮化硅晶粒的生 第44 卷第