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氧化钇陶瓷烧结助剂影响研究

2022-04-13

01
原料粉体选择研究


原料粉体的粒度、纯度、物相是影响力高导热氮化硅陶瓷学性能、热导率的关键因素。内部杂质和晶格缺陷都会阻碍氮化硅陶瓷热导率的提升。要选择高纯度高的氮化硅原料,尤其避免引入氧(O)、铝(Al)元素。原因是O元素可以形成晶格氧的晶格缺陷造成声子的剧烈散射,Al元素固溶于Si3N4,将Si替换,形成低热导率的Sialon相。不仅如此,原料粉体形貌也十分重要,小初始粒径、大比表面积、具备“自形”晶的粉体具有良好的烧结活性,易制备出高致密度的成品。



02
烧结助剂的影响研究


氮化硅的强共价键使得其很难通过固相扩散达到烧结致密的目的,需要加入一定的添加剂。但烧结助剂由于自身的性质,它的存在也会对氮化硅陶瓷材料的热导率造成不利影响,因此烧结助剂的选择应考虑3个方面:首先应考虑活性好的烧结助剂,含量尽可能的减少,降低形成的晶界相,不影响氮化硅陶瓷的致密度;其次应考虑在烧结助剂在烧结过程中形成液较低相粘度,有利于氮化硅的相变以及晶粒的长大;第3个方面应考虑烧结助剂形成的晶界相易于晶化,并形成高导热晶相。

氮化硅粉体



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研究发现陶瓷材料晶界层厚度随稀土元素离子半径增大而增加,氮化硅陶瓷热导率随着烧结助剂稀土元素阳离子半径的增大而减小;含氧化钙(CaO)的烧结助剂与含氧化镁(MgO)相比,前者不利于氮化硅柱状晶的生长,硬度较高,材料热导率及强度普遍较低。

三氧化二钇(Y2O3)—MgO



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介于此,氧化物三氧化二钇(Y2O3)—MgO,氧化钇陶瓷烧结助剂是制备高导热氮化硅材料应用比较广泛的烧结助剂。在选择原料粉体时要尽量避免O元素的引入,烧结助剂的选择也遵从这一原则,可以减少晶界玻璃相、净化氮化硅晶格提高热导率及高温力学性能。因此,作为非氧化物烧结助剂的代表,氮化硅镁(MgSiN2)、氟化钇(YF3)等成为了制备高导热氮化硅陶瓷的常用助剂。研究表明:采用MgSiN2作为烧结助剂与采用MgO作为烧结助剂制备的氮化硅陶瓷相比热导率的提升约为15%。


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