编号：CYYJ04484
篇名： 聚硅氮烷高温热解产物对氮化硅陶瓷微观结构及性能影响的研究
作者： 续振茹
关键词： 氮化硅陶瓷; 聚硅氮烷; 微观结构调控; 力学性能; 摩擦学性能;
机构：齐鲁工业大学
摘要： 氮化硅（Si3N4）陶瓷因其高硬度、低密度以及优异的耐磨性,在航空航天、精密机械、轨道交通等领域展现出广泛的应用前景。然而,固有的脆性限制了其在韧性要求较高的场景下的广泛应用,尤其是在具有复杂应力和摩擦磨损的环境中。因此,提高Si3N4陶瓷材料的韧性并同时改善其摩擦性能显得尤为重要。本文采用聚硅氮烷前驱体热解与放电等离子烧结技术相结合的方法,以a-Si3N4为原料,Al2O3和Y2O3为烧结助剂,分别开展了Si3N4纳米线掺杂和原位生成的研究工作,在不引其他外成分的情况下,对比两种氮化硅陶瓷的制备方法中Si3N4纳米线和SiCN粉末的添加含量（0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%）和保温时间（0 min、10 min、20min、30 min、50 min）对Si3N4陶瓷力学性能和摩擦学性能的影响,最终改善了Si3N4陶瓷材料的断裂韧性和摩擦性能。主要研究内容如下: （1）分析不同工艺（交联固化升温速率、交联固化温度、高温热解温度）对聚硅氮烷前驱体低温交联固化、高温热解的影响,分别探究了Fe粉、FeCl2粉末在交联固化产物高温热解过程中对热解产物的催化作用。结果表明:在低温交联固化过程中,聚硅氮烷从液态转变成透明固态,不同的升温速率和固化温度会使聚硅氮烷交联固化产物的物理状态和固化产率不同,使用较低的升温速率时,可以提高固化产率;在高温热解过程中,交联固化产物逐渐转变为无机状态,最终形成非晶SiCN陶瓷。随着热解温度的升高,不同温度区间内发生化学键的断裂和重组。在热解过程中,Fe粉、FeCl2粉可以促进非晶SiCN陶瓷向Si3N4纳米线的转变,其中,FeCl2粉催化后的Si3N4纳米线形貌细长、均匀,优于Fe粉催化后的产物,为后续Si3N4纳米线掺杂法增韧Si3N4陶瓷的研究提供了基础。 （2）以热解产物（Si3N4纳米线）为添加相,通过放电等离子两步烧结的方式制备Si3N4陶瓷。对制备的Si3N4陶瓷样品进行密度测试、物相分析和微观结构观察,并测试力学性能和摩擦学性能。结果表明:Si3N4纳米线的添加阻碍了样品致密化,随着纳米线添加量的增加,开气孔率增大;随着保温时间的增加,开气孔率逐渐减小。Si3N4纳米线添加后,降低了α相到b相的转变,样品微观呈现等轴晶粒与细长的棒状晶粒交错分布状态,但棒状晶粒平均长径比有所增加;随着保温时间的增加,晶粒大小的分布范围更广,平均长径比更大,有助于样品断裂韧性的提升。纳米线添加10 wt%,保温20 min的样品,断裂韧性最高,达到6.97 MPa×m1/2。Si3N4纳米线添加后,样品硬度增加,降低了样品的磨损率;随着保温时间的延长,磨损率先减小后增大。纳米线添10 wt%,保温10 min的样品,磨损率最小,减小到10.4×10-6 mm3/N×m。结合SEM和EDS结果可知,所有样品主要的磨损机理为氧化层的粘着磨损和Si3N4基体的磨粒磨损。 （3）以交联固化产物（SiCN粉末）为添加相,通过放电等离两步烧结的方式制备Si3N4陶瓷。对制备的Si3N4陶瓷进行密度测试、物相分析和微观结构观察,并测试力学性能和摩擦学性能。结果表明:由于SiCN粉末在高温烧结过程中发生分解,导致SiCN粉末添加后样品的气孔率增大;随着保温时间的增加,气孔率降低。SiCN粉末添加后,Si3N4陶瓷形成明显的双峰结构,双峰结构的出现,有效的阻碍了裂纹扩展,提升了断裂韧性;随着保温时间的增加,样品的晶粒尺寸增大,平均长径比减小,有助于硬度和弯曲强度的提升。SiCN粉末添加后,降低了样品的磨损率;随着保温时间的增加,磨损率先减小后增大。保温20 min的样品,磨损率降低到3.34×10-6 mm3/N×m。根据SEM和EDS分析结果可知,所有样品的磨损机理与Si3N4纳米线掺杂实验类似。 为了满足Si3N4陶瓷在复杂应力和磨损的环境中的应用,本文探究了Si3N4纳米线掺杂法和原位生成法对Si3N4陶瓷的力学性能和摩擦学性能的影响。通过对比,纳米线添加10 wt%,保温20 min的样品,断裂韧性更好,而添加SiCN粉末的原位生成实验所制备的Si3N4陶瓷样品摩擦学性能优异,这为高性能的Si3N4陶瓷的制备提供了新的思路和方法。