编号：FTJS107677
篇名： 热压烧结法制备多色氮化硅陶瓷的工艺优化与性能研究
作者： 任喆
关键词： 氮化硅陶瓷; 热压烧结; 颜色体系; 力学性能;
机构：内蒙古科技大学
摘要： 氮化硅陶瓷因其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘等优异性能成为极端环境下的理想材料。近年随着科技发展和相关产业对新材料需求的不断提高,逐渐在生物医学、智能手机背板及高档装饰材料领域也展现出不俗效果。尽管氮化硅陶瓷具有高强度和高硬度,但韧性相对较低。同时,氮化硅陶瓷的制备需要较高的烧结温度（1700℃-2000℃）及复杂的烧结工艺,生产成本较高。在实际应用中,氮化硅陶瓷还存在颜色体系单一的缺点,对其在日用及工业用陶瓷领域的发展形成了制约。基于此,研究者们目前正在探索如何通过微结构设计、纤维增强、元素掺杂等技术来提高氮化硅陶瓷的断裂韧性和着色性能。 本文旨在探究以不同稀土氧化物（Er2O3和Sm2O3）和过渡金属氧化物（NbO）作为着色剂,使用氧化铝（Al2O3）和氧化钇（Y2O3）作为烧结助剂,通过调控着色剂种类和掺杂量进而实现在较低烧结温度下制备多色系、高强高韧性的氮化硅陶瓷材料。通过对陶瓷物相结构、微观形貌、力学性能和光学性能进行系统的表征与测试,结果表明,所有样品均实现了α-Si3N4向β-Si3N4的完全转变,不同掺杂元素对晶粒形貌及界面结构产生影响,适量掺杂可促进陶瓷的致密化,提高力学性能,改善颜色特性。根据着色剂掺杂的不同,本文进行了如下研究: （1）氧化铒作为着色剂掺杂制备灰粉色氮化硅陶瓷。通过调控Er3+掺杂量制备得到均匀致密的氮化硅陶瓷材料,具有良好的力学性能与光学性能。结果表明,当Er2O3的掺杂量为7 wt.%时,氮化硅陶瓷的综合性能最好,维氏硬度为20.14 GPa,断裂韧性可达14.74 MPa·m1/2;紫外反射光谱和色度测试显示出氧化铒掺杂显著提高了陶瓷对紫外光的吸收能力,这是由于Er3+离子具有独特的轨道电子结构,其光学跃迁主要发生在4f轨道之间,宏观上表现为陶瓷样品颜色由浅灰色转变为灰粉色。 （2）氧化铌作为着色剂掺杂制备黑色氮化硅陶瓷。当NbO的掺杂量为5 wt.%时,制备得到的氮化硅陶瓷具有最好的综合性能,其维氏硬度为21.51 GPa,断裂韧性为9.98 MPa·m1/2。紫外反射光谱分析表明,Nb2+离子的d-d电子跃迁在400-700nm波长范围内产生宽频吸收,导致可见光全波段反射率低于5%。这种独特的光吸收特性使陶瓷呈现均匀的黑色。 （3）氧化钐作为着色剂掺杂制备红棕色氮化硅陶瓷。研究表明,当Sm2O3的掺杂量为6 wt.%时,其维氏硬度为15.91 GPa,但其断裂韧性显著提升至15.98MPa·m1/2。光学测试结果显示,Sm3+的引入使得陶瓷在宏观上呈现出稳定的红棕色外观。摩擦磨损试验结果表明,该组分下氮化硅陶瓷的磨损率降低,摩擦系数较稳定在0.202μm/N·m,负体积减少0.055 mm3,正体积适中,总位移体积下降到0.152mm3,材料变形较少,具有最佳的耐磨性能。