Si3N4-ZrB2陶瓷的低溫致密化與性能研究.pdf

1、Si3N4陶瓷具有高硬度、高強度、高耐磨、高導熱、優(yōu)異的抗熱震性和抗氧化性等特性，廣泛用于航空航天、機械工業(yè)、裝甲、基板等領域。由于固有的高硬度以及脆性，Si3N4陶瓷難以進行機械加工，因此加工效率和精度較低。將高性能ZrB2導電相引入Si3N4，制備Si3N4-ZrB2導電陶瓷，可以實現(xiàn)電火花加工，改善加工性能，但是商業(yè)用ZrB2原料較粗，極大限制了Si3N4-ZrB2陶瓷的性能。因此，本論文首先基于新型硼熱還原法合成亞微米級超細Zr

2、B2粉體，然后以合成的超細ZrB2粉體為原料，在低溫下（1500℃）通過熱壓燒結(jié)制備高致密Si3N4-ZrB2復相陶瓷，最后采用噴霧干燥法制備的大尺寸Si3N4基顆粒和自合成的超細 ZrB2粉體為原料，在保證導電性能的前提下，開展低 ZrB2含量下Si3N4-ZrB2復相導電陶瓷的研究。
　　首先，以ZrO2和硼為原料，利用硼熱還原法開展了超細ZrB2粉體合成研究，并初步對比了以商業(yè)ZrB2粗粉和自合成的ZrB2細粉為原料所制備的

3、Si3N4-20vol％ZrB2陶瓷的相組成、顯微結(jié)構和電阻率。結(jié)果表明，利用新型硼熱還原法（兩步還原加中間水洗工藝），可以顯著降低粉體粒徑，合成亞微米級ZrB2粉體。以商業(yè)ZrB2粗粉為原料時，Si3N4-ZrB2陶瓷包含α-Si3N4、β-Si3N4和ZrB2等主相及微弱的Yb4Si2N2O7相，ZrB2晶粒保持孤立狀態(tài)，電阻率較高；以自合成的ZrB2細粉為原料時， Si3N4-ZrB2陶瓷含有α-Si3N4、β-Si3N4和ZrB

4、2等主相及微弱的Yb4Si2N2O7和ZrN相，ZrB2晶粒保持連通狀態(tài)，電阻率顯著降低。
　　然后以自合成的亞微米級ZrB2粉體和常規(guī)商業(yè)用Si3N4粉體為原料，在氬氣氣氛或氮氣氣氛中1500℃熱壓燒結(jié)制備Si3N4-ZrB2復相陶瓷，通過控制ZrB2相含量、燒結(jié)氣氛和燒結(jié)助劑，系統(tǒng)研究了試樣的相組成、致密度、顯微結(jié)構、抗彎強度、斷裂韌性、硬度和電阻率。結(jié)果表明，采用燒結(jié)氣氛為氮氣，有利于改善Si3N4-ZrB2復相陶瓷致密化，

5、但會導致次級ZrN相生成。在氬氣氣氛中1500℃熱壓燒結(jié)的Si3N4-ZrB2試樣，隨著ZrB2含量量從15 vol%提高到45 vol%，硬度分別為20.5 GPa、18.5 GPa和18.3 GPa；斷裂韌性分別為9.4 MPam1/2、9.8 MPam1/2和7.8 MPam1/2；抗彎強度分別為536.8 MPa、702.0 MPa和669.8 MPa；電阻率分別為9×105Ω·cm、5×101Ω·cm和6Ω·cm。在氮氣氣氛1

6、500℃熱壓燒結(jié)，控制ZrB2的添加量為20 vol%，燒結(jié)助劑分別為Y2O3-MgO、Yb2O3-MgO時制備的Si3N4-ZrB2陶瓷硬度分別為19.8 GPa和20.1 GPa；斷裂韌性分別為9.6 MPam1/2和10.9 MPam1/2/；抗彎強度分別為754.9 MPa和773.8 MPa；電阻率分別為7×102Ω·cm和4×102Ω·cm。與傳統(tǒng)的Si3N4基陶瓷相比，Si3N4-ZrB2復相陶瓷具有高硬度、高韌性和低電阻

7、率。
　　最后，以噴霧干燥制備的大尺寸Si3N4微球和亞微米級ZrB2作原料，通過控制混料介質(zhì)，在1500℃熱壓燒結(jié)制備了具有三維導電網(wǎng)絡結(jié)構的Si3N4-ZrB2陶瓷。結(jié)果表明，通過采用丙酮為混料介質(zhì)，并添加適量的氨水，可以較好保持大尺寸Si3N4微球的完整性和阻止超細ZrB2粉體的團聚，形成良好的三維導電網(wǎng)絡結(jié)構，當ZrB2含量為15vol%時，Si3N4-ZrB2陶瓷電阻率僅為為2×102Ω·cm。在保證導電性能前提下，本研