稀土氯氧化物助烧剂氮化硅陶瓷的烧结与性能研究

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本论文采用放电等离子烧结(SPS)后高温热处理方法,添加MgO及Y、La、Nd、Gd、Yb稀土元素的氯氧化物作为烧结助剂制备氮化硅陶瓷,对SPS烧结及热处理工艺、YOCl/MgO配比及添加量以及稀土氯氧化物种类对氮化硅陶瓷烧结及热导率、强度等性能的影响进行了系统地研究。本论文首先研究了钇的氯氧化物添加量、SPS及热处理工艺条件对氮化硅陶瓷烧结与性能的影响,研究表明:添加YOCl烧结助剂样品在SPS烧结过程中会出现两个快速烧结收缩阶段,收缩速率峰值所对应的温度为1400°C和1550°C,分别对应着样品烧结过程中的颗粒重排和溶解-析出致密化过程。SPS样品经热处理后密度会发生显著变化,这是由于高温热处理过程中MgO会气化逸出,稀土氯氧化物一方面和SiO2发生反应,形成SiClx气体逸出。另一方面,所添加的稀土氯氧化合物也会在热处理过程中形成液相,促进氮化硅陶瓷烧结。最终导致试样密度随稀土氯氧化物添加量的增加先降低后增加。所添加的YOCl能和氮化硅粉中的杂质SiO2发生反应、除去氮化硅晶体中的氧杂质,从而显著提高氮化硅陶瓷的热导率。然而,当添加量过多后,会形成较多的氧化物或氮氧化物晶界相残留在氮化硅中,导致热导率不能进一步提高。本论文对YOCl和MgO烧结助剂总添加量为9wt%,YOCl: MgO配比在0:9至9:0之间变化的氮化硅陶瓷进行了研究,研究发现:在YOCl: MgO比值小于4:5区间可获得致密氮化硅陶瓷,抗弯强度、热导率均随着YOCl添加量的增加,随YOCl: MgO比值的降低逐渐增大;当YOCl: MgO比值大于4:5时试样相对密度下降,且抗弯强度、热导率也随着YOCl: MgO比值的增加直线下降。YOCl: MgO质量比为4:5时性能最佳,热导率和抗弯强度强度分别为90W/m·K和1063MPa。本论文还对添加不同稀土氯氧化物(ReOCl,Re=La,Nd,Gd,Yb)烧结助剂的氮化硅陶瓷进行了研究。研究表明:除了添加YbOCl烧结助剂的样品未能烧结致密,性能也较差外,添加La、Nd、Gd的试样都比较致密,抗弯强度均在1000MPa以上。这些样品的热导率随着稀土阳离子半径的减小(La→Nd→Gd)显著上升,添加Gd的试样热导率和强度最高,分别为89W/m·K和1126MPa。
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