浅述三大类氮化硅陶瓷烧结助剂

发布时间：

2022-10-21 10:39

　　作为综合性能最为优良的结构陶瓷材料，氮化硅在高温、高速、强腐蚀介质等极限环境下具有特殊的应用价值，被认为是最具有发展应用前景的结构陶瓷材料之一，在机械工程、冶金化工、航空航天、生物医学、半导体等行业均得到广泛的应用。

　　氮化硅在烧结过程中会出现α→β相变，这一相变属于结构重建型，必然存在化学键的断裂和生成。对于氮化硅材料而言，高能共价键在烧结过程中是一个不利因素，Si-N共价键的存在导致原子扩散系数比较低。因此，氮化硅的烧结通常采用液相烧结的方式，更容易致密和各方面性能最优化。液相烧结需要烧结助剂的加入，为了提高氮化硅的性能，添加合适的烧结助剂来调节液相的组成以及含量非常重要。

　　氧化物烧结助剂

　　氧化物烧结助剂是Si3N4陶瓷烧结中研究最多的一类烧结助剂。在最早期的烧结助剂研究中，只是添加单一的金属氧化物烧结助剂进行烧结，对Si3N4的烧结起了一定的促进作用，但往往致密性不够，或形成的玻璃相熔点较低，在高温下的力学性能较差，不能满足应用。随后，研究者们使用了稀土氧化物代替金属氧化物作为烧结助剂，在晶界中发现了稀土元素和硅氧氮形成的结晶相，制备出了性能更好的Si3N4陶瓷材料。

　　目前常用的金属氧化物和稀土氧化物有Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、RE2O3(RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc)等。

　　此外，对烧结助剂的研究从单一的烧结助剂向两种或两种以上的复合烧结助剂发展。研究发现，采用多种复合烧结助剂可明显改善液相黏度，提高Si3N4陶瓷的高温性能和热学性能，通常做法是采用金属氧化物和稀土氧化物多组分复合，比如Y2O3/Al2O3、Y2O3/MgO、Y2O3/Al2O3/MgO、Y2O3/Al2O3/La2O3、Y2O3/La2O3等。

　　非氧化物烧结助剂

　　随着对Si3N4陶瓷研究的深入，发现减少烧结过程中晶格氧的含量能够有效提升Si3N4陶瓷的热导率等性能。

　　使用非氧化物烧结助剂如硼化物(LaB6、YB2C2)，硅化物(ZrSi2)，氟化物(YF3、YbF3、MgF2、LiF)，氮化物(MgSiN2、Y2Si4N6C)，氢化物(YH2、GdH2、ZrH2)替代相应的氧化物烧结助剂，以提高氮化硅热导被证明是一种经济有效的途径。使用非氧化物烧结助剂有效降低了液相中氧含量，进而阻碍晶格氧的形成，且烧结体冷却后非晶玻璃相含量降低，热导率得以改善。

　　氧化物-非氧化物复合烧结助剂

　　结果显示：

　　(1)利用Li+Y烧结助剂体系，LiF和Li2O的加入均能达到好的低温致密化效果，尤其LiF-Y2O3为助剂的氮化硅陶瓷最终相对密度可达99%以上;

　　(2)相比Li2O的加入，含F液相促进α→β相转变，使Si和O不断从液相中移除从而提高液相中的O含量，减少系统的O含量，使用LiF-Y2O3复合助剂获得的热压氮化硅陶瓷热导率更高，在1750℃热压烧结8小时后，氮化硅陶瓷热导率可达到59W/(m·K)。

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