BAS 玻璃粉熱處理溫度對氮化硅陶瓷致密化的影響

易嘉琦，周賤根，羅宏斌，肖月朗

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

氮化硅陶瓷具有硬度高、熔點高和摩擦系數(shù)小等優(yōu)異特性，在汽車發(fā)動機廢氣控制閥、風(fēng)力渦輪機軸承和火箭發(fā)動機等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。氮化硅陶瓷的斷裂韌性大[3]、脆性大、抗彎強度低[4]等缺點影響了其應(yīng)用范圍。由于氮化硅共價鍵程度較高、擴散系數(shù)低，在燒結(jié)過程中驅(qū)動力小，難以實現(xiàn)燒結(jié)致密化[5]。為燒結(jié)出高強度、高密度的氮化硅陶瓷，在燒結(jié)過程中通常會加入燒結(jié)助劑，提供液相填充空隙[6]，提高氮化硅陶瓷的致密度和力學(xué)性能。燒結(jié)助劑BAS 玻璃粉以高融點、低膨脹系數(shù)、耐高溫[7]等優(yōu)良性能添加于燒結(jié)致密化氮化硅陶瓷[8]，BAS 玻璃粉熱處理后會產(chǎn)生晶態(tài)相，有六方相、單斜相、正交相[9]，在提高致密化程度的同時，又具有低膨脹系數(shù)的穩(wěn)態(tài)單斜相，對提高其致密化性能起至關(guān)重要的作用。改變BAS 玻璃粉熱處理溫度，可促進六方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，提高氮化硅陶瓷的致密化性能。

在陶瓷燒結(jié)致密化領(lǐng)域中，燒結(jié)助劑起至關(guān)重要的作用，許多陶瓷領(lǐng)域的學(xué)者都對其展開了深入的研究。Bo Li[10]等人研究了添加Sm2O3對BAS 微晶玻璃的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響。Sm2O3的加入顯著地降低了燒結(jié)活化能，有利于燒結(jié)致密化，提高了BAS 微晶玻璃的力學(xué)性能。Qingyu Meng[11]等人研究了不同溫度熔煉BAS 玻璃粉對氮化硅陶瓷致密化性能的影響。BAS 玻璃粉熔化并在1500 ℃時，達到的最大密度為98.8 %，抗彎強度為373 MPa 和斷裂韌性為4.8 MPa·m1/2，顯著地提高了氮化硅陶瓷的致密度與力學(xué)性能。Jie Luo[12]等研究了燒結(jié)助劑Mg2Si 的含量和燒結(jié)溫度對氮化硅陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。嚴(yán)欣堪[13]等人研究了不同LNBS 燒結(jié)助劑添加量對BAS 系微波介質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)的影響。LNBS 燒結(jié)助劑中Li+進入鋇長石Al3+位或單四元環(huán)間隙,并產(chǎn)生了O2-空位或Ba2+空位，從而促進BAS 六方相向單斜相轉(zhuǎn)變。許多學(xué)者研究了BAS 玻璃粉的力學(xué)性能和其他燒結(jié)助劑對氮化硅陶瓷性能的影響，鮮有研究BAS 玻璃粉熱處理溫度對其相性轉(zhuǎn)變的影響與氮化硅陶瓷致密化性能的內(nèi)在聯(lián)系。

通過改變熱處理溫度制備四種BAS 玻璃粉，采用無壓燒結(jié)技術(shù)，加入原料制成氮化硅陶瓷樣品。通過XRD 分析熱處理后的BAS 微晶玻璃中相系轉(zhuǎn)變，檢測氮化硅陶瓷的致密度和力學(xué)性能，研究BAS 玻璃粉熱處理溫度對氮化硅陶瓷致密化性能的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗原料

實驗采用的原料是α-Si3N4粉末（NO-N-004-4,上海乃歐納米科技有限公司），平均粒徑1 μm，純度99.999%，SiO2（上海鑫鉆合金材料有限公司），燒結(jié)助劑BAS 玻璃粉（安米微納新材料有限公司）分別經(jīng)過1100 ℃、1250 ℃、1400 ℃、1500 ℃不同溫度熱處理。α-Si3N4粉末和各種添加劑的規(guī)格、比例、純度及作用如表1 所示。

表1 試樣原料Tab.1 Raw materials of sample

1.2 試驗裝置

采用真空旋轉(zhuǎn)式粉體加熱機對BAS 玻璃粉進行熱處理，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。真空旋轉(zhuǎn)式粉體加熱機由動力系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三部分組成。（1）動力系統(tǒng)：電機經(jīng)過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)帶動爐罐以30 r/min 順時針轉(zhuǎn)動。（2）加熱系統(tǒng)：加熱機通過加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能，內(nèi)部抽真空保證溫度的穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)式加熱使BAS 玻璃粉受熱均勻。（3）輔助系統(tǒng)：由機體、可控氣氛供應(yīng)和控制面板組成。爐襯形成加熱空間，保持加熱恒溫狀態(tài)，爐罐臥式旋轉(zhuǎn)，增大受熱面積，使BAS玻璃粉均勻受熱，可控氣氛供應(yīng)和控制面板調(diào)節(jié)加熱機的熱處理溫度，保持在恒溫狀態(tài)。

圖1 真空旋轉(zhuǎn)式粉體加熱機Fig.1 Vacuum rotary powder heater

1.3 試樣制備

1.3.1 BAS 玻璃粉熱處理

通過改變熱處理溫度促進BAS 玻璃粉相系的轉(zhuǎn)變，借助電子天平稱取四份等同的100 gBAS 玻璃粉末，調(diào)試真空旋轉(zhuǎn)式粉體加熱機，放入BAS玻璃粉末，分別經(jīng)過1100 ℃、1250 ℃、1400 ℃、1500 ℃等不同溫度熱處理10 h 后，隨加熱爐一同冷卻至常溫。BAS 玻璃粉熱處理溫度和時間如表2所示。

表2 BAS 玻璃粉Tab.2 BAS glass powder

1.3.2 氮化硅陶瓷樣品制備

氮化硅陶瓷樣品制備工藝流程如圖2 所示。用電子天平量取四份1800 g α-Si3N4粉末和100 g SiO2粉末，分別加入100 g 經(jīng)過不同溫度熱處理后的BAS 玻璃粉，以ZrO2球為混合介質(zhì)，將混合物放入乙醇中進行球磨。球磨4 h 后取出，在60 ℃的烤箱中烘干4 h 后過篩。將干燥后的混合粉末放入圓柱形模具中，達到均衡壓力200 MPa。之后，試樣被加熱到 600 ℃時，緩慢加熱排除黏合劑(PVB)。然后樣品從室溫加熱到1380 ℃，并在1380 ℃下煅燒2 h，確保硅粉完全氮化。最后在1550 ℃的氣氛下燒結(jié)2 h。

圖2 氮化硅陶瓷樣品制備流程圖Fig.2 Flow chart of silicon nitride ceramic sample preparation

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度熱處理后的BAS 玻璃粉XRD 分析

BAS 玻璃粉在不同熱處理溫度的XRD 圖如圖3 所示。BAS 玻璃粉1100 ℃熱處理10 h 后，六方鋇長石的衍射峰最強烈。其他晶體相只有微弱的衍射峰。分別經(jīng)過1100 ℃、1250 ℃、1400 ℃、1500 ℃熱處理其單斜鋇長石有持續(xù)增強的衍射峰：1400 ℃時達到一個頂峰，而后開始下降；1500 ℃其單斜鋇長石的衍射峰與前者相比明顯更微弱。六方鋇長石隨著熱處理溫度的增加其衍射峰越來越弱；正交鋇長石隨著熱處理溫度的增加其衍射峰在持續(xù)增強。同時表明：BAS 玻璃粉中主要是以六方鋇長石為主，隨著熱處理溫度的增加，六方鋇長石含量減少，其正交鋇長石與單斜鋇長石含量增加；BAS 玻璃粉熱處理會促進六方鋇長石向單斜鋇長石的轉(zhuǎn)變。

圖3 BAS 玻璃粉在不同熱處理溫度的XRD 圖Fig.3 XRD patterns of BAS glass powder at different heat treatment temperatures

2.2 不同BAS 玻璃粉對氮化硅陶瓷致密化的影響分析

通過阿基米德排水法測定氮化硅陶瓷樣品的體積密度和顯氣孔率，其公式為：

其中：m1為干燥試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m2為飽和試樣在水中的質(zhì)量，g；m3為飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g。分別測量添加四種不同溫度熱處理BAS 玻璃粉作為燒結(jié)助劑的氮化硅陶瓷試樣體積密度和顯氣孔率，在添加1400 ℃熱處理BAS 玻璃粉燒結(jié)而成的氮化硅陶瓷試樣的體積密度為3.27 g/cm3，顯氣孔率為0.01 %。第一到第三組試樣維氏硬度陸續(xù)增大，第四組試樣維氏硬度開始降低。在加入1400 ℃熱處理BAS 玻璃粉其維氏硬度最大為12.46 GPa，斷裂韌性最大為4.9 MPa·m1/2，氮化硅陶瓷樣品的力學(xué)性能見表3。

表3 氮化硅陶瓷樣品的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of silicon nitride ceramic samples

3 結(jié) 論

（1）通過XRD 圖分析BAS 玻璃粉在經(jīng)過熱處理后，其六方、單斜和正方相系晶體的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變。不同熱處理溫度后，BAS 玻璃粉的各晶體含量不同，其主晶相為六方鋇長石。熱處理后，會促進其相系轉(zhuǎn)變產(chǎn)生單斜和正方鋇長石。在熱處理溫度升高時，其單斜鋇長石含量增加，1400 ℃時，其峰值最強烈。1400 ℃熱處理BAS 玻璃粉促進六方鋇長石轉(zhuǎn)化為單斜鋇長石最佳。

（2）在全部實驗中，1400 ℃熱處理后的BAS玻璃粉作為燒結(jié)助劑制備氮化硅陶瓷，其密度最大，常溫密度為3.27 g/cm3；孔隙率低，為0.01 %；硬度高，維氏硬度為12.46 GPa；脆性較低，斷裂韌性為4.9 MPa·m1/2。本實驗的結(jié)果說明：熱處理后的BAS 玻璃粉作為燒結(jié)助劑燒結(jié)致密化氮化硅陶瓷，對提高成品的密度，降低其脆性有很高的參考價值。