● 摘要
多孔氮化硅陶瓷兼具氮化硅陶瓷与多孔材料的性质，即具有氮化硅陶瓷的强度高、韧性好、抗蠕变性好、稳定性好、抗雨蚀、抗热冲击性能优良等优点，也具有多孔材料密度小，介电常数和介电损耗小等特性。因此，多孔氮化硅可以应用于许多领域，如航空、航天、过滤以及催化领域，作为火箭喷嘴、天线罩材料，或者作为过滤器和催化剂载体材料。 氮化硅是共价化合物，在较高的温度下才能烧结（1750℃左右），而多孔氮化硅陶瓷在高温空气中存在氧化问题，使其制备难度增大。在本论文研究中将氮化硅坯体在较低的温度（1580℃以下）进行烧结，研究多孔氮化硅陶瓷的烧结机理和氧化机理。分别在空气中和氮气中将氮化硅坯体在不同温度进行烧结，研究了不同烧结助剂体系、烧结助剂含量、烧结温度等因素对空气中烧结的多孔氮化硅的物相和微观结构的影响，并探讨其烧结机理和氧化机理；采用氮气中烧结的方法，以α-Si3N4为原料、β-Si3N4为晶种、MgO-Al2O3-SiO2体系为烧结助剂制备多孔氮化硅陶瓷，研究了晶种对其物相、微观结构、气孔率的影响以及气孔率、烧结温度其强度和微观结构的影响。 研究结果表明，氮化硅坯体在空气中烧结时，烧结助剂和烧结温度对多孔氮化硅陶瓷的物相和微观结构均有较大的影响。MgO-Al2O3-SiO2烧结助剂体系在烧结中的抗氧化作用优于Y2O3-Al2O3体系，且MgO-Al2O3-SiO2体系更有利于α-Si3N4转化为β-Si3N4；烧结助剂含量对氮化硅的氧化程度也有较大的影响。升高烧结温度有助于多孔氮化硅坯体烧结程度的提高。在烧结过程中，随着温度的升高，氮化硅的主要氧化产物发生变化，在1400℃－1450℃，氮化硅被氧化为SiO2（钝化氧化），氧化层不断加厚，表现为氧化增重；当温度继续升高时，在Si3N4/SiO2界面处氧分压降低，氮化硅的氧化为SiO（活化氧化），表现为1500℃的氧化增重量显著下降；温度超过1500℃时，由于生成SiO气体后氮化硅露出新鲜表面，再次发生钝化反应，生成SiO2，并在Si3N4/SiO2界面处生成Si2N2O。 在氮气中烧结氮化硅坯体时，β-Si3N4晶种的加入可诱导α-Si3N4发生相变；且随着晶种加入量的增加，生成的β-Si3N4晶粒数量增多。相变生成的柱状β-Si3N4晶粒交错、搭接、拔出需消耗能量，导致断裂所需的能量增加，提高了多孔氮化硅陶瓷的抗弯强度。烧结助剂中含有适量的SiO2在高温烧结时会增加液相的量，有利于传质，并促进α-Si3N4→β-Si3N4的相变。将烧结温度从1520℃提高到1580℃，β-Si3N4晶粒的数量显著增加，其粒径明显增大，表明提高烧结温度有助于α-Si3N4→β-Si3N4的相变。 在氮气中烧结氮化硅坯体时，β-Si3N4晶种的加入可诱导α-Si3N4发生相变，且随着晶种加入量的增加，生成的β-Si3N4的晶粒数量增多。相变生成的柱状β-Si3N4晶粒交错、搭接，拔出需消耗能量，导致断裂所需的能量增加，提高了多孔氮化硅陶瓷的抗弯强度。烧结助剂中含有适量的SiO2在高温烧结时会增加液相的量，有利于传质，并促进α-Si3N4→β-Si3N4的相变。将烧结温度从1520℃提高到1580℃，β-Si3N4晶粒数量显著增加，其粒径明显增大，表明提高烧结温度有助于α-Si3N4→β-Si3N4的相变。