Si3N4/BN复合陶瓷的制备及其力学性能和热导率的研究

作     者：任一鹏 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建保;陈拥军

授予年度：2020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）] 

主      题：氮化硅 氮化硼 复合陶瓷 热压烧结 增韧机制 热导率 有限元分析 

摘      要：氮化硅(SiN)陶瓷是一种性能优异的先进陶瓷,因为其具有较高的强度、在高温下仍可以保持好的力学性能、优异的耐化学腐蚀性,在工程领域有着广泛的应用。然而氮化硅陶瓷的硬度高,加工成复杂形状的零件,提高了其在工业领域应用的成本。常见的氮化硼(BN)有六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)两种晶型,六方氮化硼有着类似于石墨的结构和性质,硼原子和氮原子通过强的sp共价键结合在一起,相邻的层通过较弱的范德华力结合在一起。这种特殊的晶体结构为h-BN提供了一系列独特的性能,包括低介电系数、低正切损耗、约3000°C(非氧化气氛)的极高分解温度、优异的抗热震性能、高热导率和良好的可加工性。在SiN/BN复合陶瓷中,随着BN含量增加,层状结构的h-BN粒子的解理行为使复合材料具有良好的可加工性。本文用c-BN和α-SiN作为起始粉末,采用热压烧结在1800℃的氮气气氛下制备了SiN/BN复合陶瓷,利用c-BN转换成h-BN的相变膨胀机理,提高复合陶瓷的致密度,改变其力学性能。(1)研究了助烧剂(Si O-BO、YO-AlO、YO-AlO)和起始粉末的类型(c-BN、a-BN)对SiN/BN复合陶瓷力学性能的影响,发现以Mg O-YO作为烧结助剂,c-BN/α-SiN作为起始粉末制备的复合陶瓷有着较高的致密度,力学性能较好。以Mg O-YO作为烧结助剂,研究了BN的含量对SiN/BN复合陶瓷力学性能的影响。发现SiN/BN复合陶瓷的强度和韧性随着BN含量的增加先提高后降低,在加入5wt.%的BN时具有最高的强度和韧性,相对于纯SiN,分别从852.43MPa、7.4 MPa·m提高到878.26MPa、11.2 MPa·m。加入30wt.%的BN时,SiN/BN复合陶瓷仍保持较高的韧性(7.01 MPa·m)。SiN/BN复合陶瓷的硬度则随着BN含量的升高迅速降低,当氮化硼含量从0提高到30wt.%,复合陶瓷硬度从16.42 GPa降到7.57 GPa。(2)研究了氮化硼颗粒的增韧机理,认为其主要通过柱状β-SiN晶粒自增韧,片状BN嵌入增韧,氮化硼颗粒层状碎裂增韧和压应力增韧这几种机理提高了复合陶瓷的韧性,其中β-SiN晶粒的自增韧和压应力增韧为主要增韧机制,片状BN嵌入增韧,氮化硼颗粒层状碎裂增韧为次要增韧机制。(3)研究了BN含量对SiN/BN复合陶瓷热导率的影响,然后用ANSYS有限元分析了材料的各向异性以及氮化硼晶粒大小对SiN/BN复合陶瓷热导率的影响。复合陶瓷的热导率随着BN含量的增加先降低后提高,在加入30%的c-BN时在垂直于热压方向的热导率可达75.1 W·K·m,与纯SiN的热导率(76.9W·K·m)相比相差不大,BN含量的增加会提高SiN/BN复合陶瓷热导率的各向异性。用ANSYS有限元分析研究了各向异性以及氮化硼晶粒大小对SiN/BN复合陶瓷热导率的影响,发现BN晶粒尺寸越大,其各向异性对热导率的影响就越大;在不考虑颗粒间玻璃相的理想条件下,BN晶粒尺寸对热导率的影响不是很明显,晶粒尺寸越小,SiN/BN复合陶瓷热导率越小。