高介电低损耗氮化硅基复合材料的研究

作     者：顾立 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁武华

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：氮化硅基复合材料 金红石型氧化钛 钛酸镁 微观结构 介电性能 

摘      要：氮化硅(Si3N4)陶瓷材料具有优异的力学性能、良好的高温稳定性和抗腐蚀性能,是一种综合性能较优的透波材料。本文通过加入较高介电常数的添加剂TiO2和钛酸镁,在满足材料力学性能的使用基础上,改善氮化硅基复合材料的介电性能,使其能够满足材料高介电低损耗的使用需求。主要研究结果如下:(1)本文通过添加Y203作为烧结助剂,采用气压烧结法制备一定气孔率、高强度和优良介电性能的氮化硅陶瓷材料。研究表明,Y2O3含量对材料有重要影响,在烧结助剂Y203含量为4wt%时,材料的弯曲强度和弹性模量分别达到最大值267MPa和116GPa,其介电常数达到最大值4.77,此时介电损耗为最小值4.5×10-3。(2)采用不同烧结工艺条件,研究了高介电添加剂TiO2含量对氮化硅基复合材料的影响。结果表明,1700℃烧结后,材料气孔率控制在21～33%,弯曲强度为167～202MPa,弹性模量为72～92GPa。在更高温度1750℃烧结后,材料气孔率降低,孔径大小分布均匀,弯曲强度和弹性模量在TiO2含量为25wt%时达到最大值259MPa和140GPa。1750℃烧结后,致密氮化硅基复合材料的弯曲强度和弹性模量在TiO2含量为5wt%时达到最大值380MPa和261GPa。(3)采用不同烧结工艺条件,研究了钛酸镁含量对氮化硅基复合材料的影响。结果表明,添加钛酸镁的氮化硅基复合材料达到一定致密性。1700℃烧结后,材料弯曲强度和弹性模量在钛酸镁含量为5wt%时达到最大值451MPa和273GPa;1750℃烧结后,其值在同样的钛酸镁含量时达到最大值486MPa和282GPa。1750℃烧结后,致密复合材料弯曲强度和弹性模量在钛酸镁含量为5wt%时达到最大值477MPa和274GPa。(4)TiO2和钛酸镁的添加,都有利于提高氮化硅基复合材料的介电常数,其介电损耗也增大。对Si3N4-TiO2复合材料而言,在1700℃和1750℃烧结后,材料介电常数在TiO2含量为25wt%时分别达到最大值7.66和7.70,此时介电损耗分别为6.7×10-3和1.92×10-2。1750℃烧结后,致密复合材料的介电常数和介电损耗在TiO2含量时达到最大值 7.83 和 1.67×10-2。对 Si3N4-MgTiO3/Mg2TiO4 复合材料而言,在 1700℃和 1750℃烧结后,材料介电常数在钛酸镁含量为30wt%时分别达到最大值8.55和8.57,此时介电损耗分别为1.26×10-2和1.34×10-2;1750℃烧结后,致密复合材料的介电常数和介电损耗在钛酸镁含量30wt%时达到最大值7.94和1.51×10-2。