影響多孔氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能的因素

許江武

（陜西金泰氯堿化工有限公司，榆林　718100）

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Production&App lication
生產(chǎn)與應(yīng)用

影響多孔氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能的因素

許江武

（陜西金泰氯堿化工有限公司，榆林718100）

多孔氮化硅陶瓷是一種新型功能陶瓷，它密度低，氣孔率高，相對(duì)介電常數(shù)較小，抗腐蝕耐熱性能良好，使用壽命長，且相對(duì)介電常數(shù)可以根據(jù)氣孔率的多少進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在較大溫度范圍內(nèi)正常使用，優(yōu)異的性能使其在航天透波天線罩材料方面有很大的應(yīng)用空間，是一種理想的新型高性能天線罩候選材料，已被廣泛應(yīng)用于航空航天，民用設(shè)備等領(lǐng)域。本文主要分析了多孔氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能的影響因素。

氮化硅陶瓷；晶型；介電性能；力學(xué)性能

1　前言

多孔氮化硅陶瓷作為新型的結(jié)構(gòu)材料，受到越來越廣泛的重視。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料因其具有高強(qiáng)、輕質(zhì)和高韌特性，最為引人注目，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的復(fù)合材料之一。短纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以制造形狀復(fù)雜的零件，而且工藝簡單，所用設(shè)備也不需像連續(xù)纖維那樣的纖維纏繞或編織用的復(fù)雜專用設(shè)備［1］。氮化硅陶瓷是一種滿足耐熱、透波、承載要求，綜合性能十分理想的天線罩材料，他透波性能好，介電常數(shù)低，密度?。ǚ磻?yīng)燒結(jié)的為2.2～2.6 g/cm3、常壓燒結(jié)的約為3.0 g/cm3），易加工至精密尺寸，其介電性能隨溫度變化小，抗熱震和抗雨蝕性也好，這些性能都是作為高速飛行器雷達(dá)天線罩材料所必備的。

多孔氮化硅屬多晶材料，存在兩種晶型，一種是α-Si3N4；另一種是β-Si3N4，存在兩種晶形，一種是兩者均屬六方晶系，都是由［SiN4］4-四面體（硅原了位于四面體的中心，在其周圍有4個(gè)氮原了）共用頂角構(gòu)成三維空間連續(xù)而堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2］。α-Si3N4是由兩層不同，且有形變的非六方環(huán)重疊而成，在結(jié)構(gòu)上Si-N按ABCDABCD…次序堆垛成六方［3］。β-Si3N4是由兒乎完全對(duì)稱的6個(gè)［SiN4］4-組成的六方環(huán)層在c軸方向上重疊而成，在結(jié)構(gòu)上Si-N按ABAB…次序排列成六方結(jié)構(gòu)。

多孔氮化硅既是優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料，又是新型功能材料，成為陶瓷材料中最有應(yīng)用潛力的材料［4］。氮化硅多孔陶瓷是近年來在研究氮化硅陶瓷和多孔陶瓷基礎(chǔ)上逐漸興起的一種新型陶瓷材料，因其充分發(fā)揮氮化硅和多孔陶瓷兩者的優(yōu)異性能而引人注目［5］。對(duì)多晶材料而言，材料的電性能、熱性能和力學(xué)性能各種變化的誘發(fā)因素較多，所以本文對(duì)其影響因素做了分析，以供其他研究者參考。

2　影響多孔氮化硅性能的因素

2.1燒結(jié)法對(duì)多孔氮化硅性能的影響

制備多孔氮化硅陶瓷的方法有許多，諸如：無壓燒結(jié)法、碳熱還原法、反應(yīng)燒結(jié)法等。無壓燒結(jié)法具有制備工藝簡單、產(chǎn)品性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是需要價(jià)格昂貴的氮化硅作為主要原料。碳熱還原法具有原料成本低、產(chǎn)品氣孔率高等優(yōu)點(diǎn)，但是產(chǎn)品的收縮率較大。反應(yīng)燒結(jié)法具有原料成本低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是存在大量的游離硅，嚴(yán)重降低了產(chǎn)品的性能。而碳熱還原-反應(yīng)燒結(jié)法結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)法和碳熱還原法的優(yōu)點(diǎn)，燒結(jié)過程中同時(shí)發(fā)生硅粉氮化反應(yīng)和二氧化硅碳熱還原反應(yīng)制備氮化硅多孔陶瓷，以實(shí)現(xiàn)：（1）使用成本很低的二氧化硅、硅粉和炭黑為原料，降低了生產(chǎn)成本。（2）碳熱還原反應(yīng)生成的氮化硅起到稀釋劑的作用，減少了游離硅的生成。（3）達(dá)到凈尺寸燒結(jié)的效果，對(duì)生產(chǎn)要求形狀構(gòu)件非常有利。

以廉價(jià)的二氧化硅、炭黑和硅粉為起始原料，利用碳熱還原–反應(yīng)燒結(jié)法制備了高氣孔率、孔結(jié)構(gòu)均勻的多孔氮化硅陶瓷，考察了瓷微觀組織和力學(xué)性能。不同Si粉含量對(duì)試樣微觀組織的影響如圖1所示?？梢杂^察到，由于Si粉含量的不同，試樣的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出規(guī)律的變化。試樣S10、S30和S50的微觀組織中以高長徑比的β-Si3N4棒狀晶粒為主，組織比較均勻；試樣S70和S95的微觀組織中棒狀β-Si3N4晶粒較細(xì)小，晶粒的長徑比隨著生坯內(nèi)Si粉含量的增加而增加。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1200℃時(shí)，生坯內(nèi)的Si粉開始發(fā)生氮化反應(yīng)，生坯內(nèi)的SiO2同時(shí)開始發(fā)生碳熱還原反應(yīng)。因此，較低溫度下，Si粉反應(yīng)燒結(jié)生成的α-Si3N4在隨后的高溫碳熱還原反應(yīng)中可以起到晶種的作用，促進(jìn)β-Si3N4成核和生長。在相同的燒結(jié)工藝條件下，試樣S0由于沒有Si粉發(fā)生氮化反應(yīng)生成α-Si3N4晶種，自發(fā)形核速度慢且形核的數(shù)量有限，α-Si3N4晶粒形核過程受到抑制，晶粒異常長大，其微觀組織均為粗大的等軸狀晶粒［6,7］。其它添加Si粉的試樣，Si粉發(fā)生氮化反應(yīng)生成α-Si3N4，因此試樣有更多的成核位置。除了白發(fā)形核生長外，還可以直接在晶種的晶面上生長，加快了其生長速度，低溫下就可以生成大量的α-Si3N4。β-Si3N4在高溫下的成核與α-Si3N4在液相中的溶解析出有關(guān)，大量的α-Si3N4的溶解有利于造成液相的過飽和，從而促進(jìn)了β-Si3N4成核和生長［8］。所以，添加Si粉的試樣具有高長徑比的β-Si3N4棒狀結(jié)構(gòu)晶粒，組織比較均勻。

圖1　不同硅粉含量的試樣斷面的SEM照片［9］

試樣的收縮率、失重率、氣孔率和彎曲強(qiáng)度隨硅粉含量的變化如表1所示。

表1　試樣的收縮率、失重率、氣孔率和彎曲強(qiáng)度隨硅粉含量的變化［9］

由表1可以看出，試樣的彎曲強(qiáng)度均隨著氣孔率的升高而明顯下降。棒狀的β-Si3N4晶粒通過晶粒的拔出和橋接能提高多孔氮化硅的彎曲強(qiáng)度，所以多孔氮化硅陶瓷的彎曲強(qiáng)度在很大程度上依賴于微觀組織和相轉(zhuǎn)變程度。從微觀組織對(duì)力學(xué)性能的影響分析，利用碳熱還原-反應(yīng)燒結(jié)法制備的試樣，組織分布比較均勻，粗化的β-Si3N4相含量比較少，柱狀β-Si3N4組織晶粒細(xì)小，具有很高的長徑比，晶粒相互搭結(jié)，對(duì)試樣的力學(xué)性能提高非常有利［9］。所以根據(jù)微觀組織和相轉(zhuǎn)變程度分析，利用碳熱還原-反應(yīng)燒結(jié)法制備的試樣具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.2相變對(duì)多孔氮化硅性能的影響

圖2為不同氮化溫度和時(shí)間下樣品介電常數(shù) （ε′）和介電損耗（tanδ）隨頻率（f）的變化曲線。由圖2可以看出：隨著氮化溫度的提高和時(shí)間的增加，β相的相對(duì)含量增加，樣品ε′和tanδ都有升高的趨勢(shì)。最高氮化溫度為1350℃時(shí)，樣品的ε=2.38，tanδ=2.8×10–3；最高氮化溫度為1550℃時(shí)，樣品的ε′值增加到2.98，tanδ值增加到7.3×10–3。從數(shù)據(jù)分析得出，對(duì)比樣品的ε′和tanδ，α/β相變對(duì)樣品的tanδ影響更大。

圖2　不同氮化溫度和時(shí)間下樣品的ε′、tanδ隨頻率的變化關(guān)系［11］

晶格體積，晶體中的缺陷等都會(huì)隨著多晶轉(zhuǎn)變而發(fā)生一系列的變化，這些都有可能引起氮化硅陶瓷介電性能的提高。多晶轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積效應(yīng)，材料的體積會(huì)隨著相變?cè)龃蠡驕p小，使材料不穩(wěn)定，損耗增大［10］。表2列出了α-Si3N4與β-Si3N4的物理常量。由表2可以看出，兩相的晶格常數(shù)α差別不大，α-Si3N4相的晶格常數(shù)c大約為β-Si3N4相的兩倍，兩者的密度幾乎相等，在α/β相變過程中引起的體積變化不大，因此體積效應(yīng)對(duì)樣品介電性能的影響不大。α/β相變后樣品體積變化不明顯，因此認(rèn)為α/ β相變導(dǎo)致的氮化硅陶瓷中點(diǎn)缺陷濃度的增高是材料介電損耗大幅增加的主要原因［11］。

表2　α-Si3N4與β-Si3N4的物理常量［11］

2.3高聚物先驅(qū)體對(duì)多孔氮化硅性能的影響

通過紫外光交聯(lián)固化巰基-乙烯基體系，制備聚合物陶瓷先驅(qū)體材料。巰基的相對(duì)含量越高，結(jié)晶度越高，平均晶粒尺寸在乙烯基與巰基摩爾比為1：0.5時(shí)出現(xiàn)峰值（見圖3）。結(jié)晶度提高是因?yàn)閹€基/乙烯基體系的固化過程是一個(gè)自由基均聚和共聚競聚的過程，巰基化合物的加入量直接影響了先驅(qū)體的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)巰基化合物的含量較少時(shí)乙烯基單體之間的距離很小，由于其側(cè)基的空間位阻效應(yīng)，使得燒結(jié)后的分子鏈中硅氮的片段堆砌的錯(cuò)亂無序，不利于結(jié)晶。隨著巰基單體的比例增加，位阻效應(yīng)減小，先驅(qū)體中的硅氮單元排列逐漸有序規(guī)整，因此結(jié)晶度逐漸增大。但是由于所加巰基單體為四官能度化合物，當(dāng)其含量增加時(shí)固化形成的三維網(wǎng)絡(luò)纏結(jié)增大，也增大了分子的自由體積，不利于結(jié)晶。

圖3　巰基/乙烯基配比對(duì)裂解后陶瓷結(jié)晶度和平均晶粒尺寸的影響

雖然聚合物陶瓷先驅(qū)體熱解轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是先驅(qū)體的陶瓷化使其密度大幅度提高，加上裂解帶來的質(zhì)量損失，使最終樣品產(chǎn)生大的尺寸收縮率（一般為30%左右），導(dǎo)致陶瓷材料中出現(xiàn)微裂紋。為了避免出現(xiàn)微裂紋，在巰基/乙烯基體系中添加了惰性的β-Si3N4粉體填料。隨著惰性填料的增加，先驅(qū)體陶瓷的尺寸穩(wěn)定性有了明顯提高。而且提高填料的含量，也使陶瓷的結(jié)晶度和質(zhì)量保持率提高。

2.4孔隙率和孔徑對(duì)多孔氮化硅性能的影響

添加成孔劑法制備的有球形宏觀孔的多孔氮化硅陶瓷在不同孔隙率和孔徑下的介電性能。通過控制成孔劑苯甲酸的加入量和調(diào)節(jié)成孔劑的粒徑可達(dá)到燒結(jié)體的氣孔率和孔徑可控的目的。結(jié)果表明：隨著成孔劑量的增加，樣品氣孔率變大，反應(yīng)燒結(jié)后燒結(jié)體中的α-Si3N4相增多，樣品的介電常數(shù)ε′和介電損耗tanδ降低。在成孔劑加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)（見圖4），隨著成孔劑的粒徑變大，反應(yīng)燒結(jié)后燒結(jié)體中氣孔的直徑變大而氣孔率不變，樣品的ε′和tanδ也相應(yīng)降低。得到的樣品中最低的ε′值為2.4297。

多孔的Si3N4陶瓷可以看作是氣–固型復(fù)合材料。根據(jù)Bruggeman的等效介質(zhì)理論，可以把氣孔看作分散相存在于材料中。在電磁場作用下，分散相可以視為是一種介于平行于電場方向堆放和垂直于電場方向堆放之間的中間形態(tài)。運(yùn)用Lichtenecker的對(duì)數(shù)混合法則［12］，在同一透波復(fù)合材料體系中，各組分的比例不同，材料的介電性能也不同。對(duì)于復(fù)合材料，根據(jù)材料組分的體積分?jǐn)?shù)φi考慮在常壓條件下，空氣的介電常數(shù)近似等于1并且介電損耗接近0，而 Si3N4介電常數(shù)大于1，因此，對(duì)于氣–固兩相Si3N4陶瓷燒結(jié)體，氣孔率越大，介電常數(shù)和介電損耗越小，氣孔的存在能有效地降低樣品的介電常數(shù)和介電損耗。

圖4　成孔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和樣品介電性能的關(guān)系［14］

多孔氮化硅陶瓷對(duì)電磁波的散射不僅與孔和氮化硅的介電常數(shù)有關(guān)，而且與孔的形狀、大小和氣孔率有著很大的關(guān)系（見圖5）。如果氣孔的尺寸與該頻率電磁波的波長相近，則氣孔就會(huì)類似于一個(gè)小的偶極子天線，在內(nèi)部感應(yīng)出振蕩電流并把入射的波向四面八方輻射出去。散射的峰值出現(xiàn)在當(dāng)氣孔尺寸近似等于波長的 1/（2π）的時(shí)候［13］。當(dāng)氣孔尺寸小于波長的1/（2π）時(shí)，散射隨著氣孔尺寸的增加而增強(qiáng)；當(dāng)氣孔尺寸大于波長的 1/（2π）時(shí)，散射隨著氣孔尺寸的增加而減弱。在X波段高頻（氣孔的尺寸與該頻率下電磁波的波長相近）和樣品氣孔率均為55%的條件下（散射質(zhì)點(diǎn)的體積濃度不變），樣品孔徑大于波長的 1/（2π），彌散在氮化硅陶瓷基體中的孔徑越大，散射就隨之減弱，被散射的波越少，電磁波能量在透過天線罩過程中轉(zhuǎn)化為熱量的損失就越少，從而降低了樣品的介電常數(shù)和介電損耗［14］。

圖5　樣品的孔徑大小與介電性能的關(guān)系［14］

2.5硅粉粒度對(duì)多孔氮化硅性能的影響

不同粒度的硅粉（24μm、15μm、7μm）中添加 30%成孔劑的坯體燒結(jié)，在氣孔率保持不變的條件下，初始硅粉粒度越小，燒結(jié)后試樣的強(qiáng)度越大，介電常數(shù)實(shí)部和介電損耗都明顯減小。由圖6可知，在試樣氣孔率均為53%的條件下，隨著起始硅粉粒度的增大，燒結(jié)體強(qiáng)度急劇下降。反應(yīng)燒結(jié)的工藝特點(diǎn)主要表現(xiàn)在燒結(jié)和成形上。一般陶瓷燒結(jié)時(shí)借助粉末表面能推動(dòng)坯內(nèi)的物質(zhì)遷移，填充空隙，排除氣孔，使坯體收縮致密而實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)燒結(jié)氮化硅的燒結(jié)過程是借助合成過程實(shí)現(xiàn)的，通過氮?dú)鉂B入硅坯粉粒內(nèi)部，在硅氮合成氮化硅生成新相的過程中，經(jīng)擴(kuò)散傳質(zhì)，增加這部分體積填補(bǔ)坯體內(nèi)原來硅粉顆粒間的空隙［15］。硅粉的顆粒越細(xì)，其比表面積越大，反應(yīng)燒結(jié)時(shí)氮?dú)鉂B入硅坯時(shí)所接觸的粉粒面積變大，就越有利于坯體內(nèi)原來硅粉顆粒間空隙的填補(bǔ)，從而形成較多的新的交織結(jié)構(gòu)，使坯體致密化程度和強(qiáng)度提高。

圖6　抗彎強(qiáng)度與硅粉粒度的關(guān)系［15］

3　結(jié)語

多孔Si3N4陶瓷綜合了多孔陶瓷和 Si3N4陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，透過性均勻，比表面積大，體積密度小，同時(shí)耐高溫、耐腐蝕，是一種化學(xué)穩(wěn)定性很高的多孔陶瓷材料，作為過濾、分離、吸音、透波材料，催化劑載體和生物陶瓷等，已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和生物醫(yī)療等領(lǐng)域，但多孔陶瓷孔隙率與強(qiáng)度之間的矛盾制約了其發(fā)展。因此，在保證較高孔隙率的同時(shí)盡量提高材料的強(qiáng)度，是多孔陶瓷制備過程中研究的重點(diǎn)。多孔Si3N4陶瓷氣孔的存在同時(shí)也影響了其機(jī)械強(qiáng)度，限制了它的應(yīng)用范圍?？箯潖?qiáng)度被廣泛用來表征材料機(jī)械性能。陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度受晶粒大小、氣孔率、和表面狀態(tài)等因素的制約。所以多孔Si3N4陶瓷的發(fā)展還需要學(xué)者進(jìn)一步深入的研究，為多孔Si3N4陶瓷的應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

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Influence Factors of Properties of Porous Silicon Nitride Ceramics

XU Jiang-wu
（Shanxi jintai chlor-alkali chemical industry Co.,LTD,Yulin718100,China）

Porous silicon nitride ceramics is a new kind of functional ceramics,its low density,high porosity,the relative dielectric constant is small,corrosion resistantheat resistant performance is good,service life is long,and the relative dielectric constant can be adjusted according to the porosity of how many,can be used in a large temperature range is normal,the outstanding performance in the space through the wave radomematerials application has a lot of space,is an ideal new material with high performance radome candidate,has been widely used in aerospace,civil and other fields.This paper analyzes the structure of porous silicon nitride ceramics performance influencing factors.

silicon nitride ceramics；heat insulation mechanisms；development direction；restraining factor

許江武（1982-），男，山西省運(yùn)城人。畢業(yè)于中北大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)。現(xiàn)在從事無機(jī)非金屬材料研究工作。

E-mail：kangyong_1204@163.com。