多孔氮化硅透波材料的制备与性能研究

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1、山东理T人学硕}‘学位论文摘要随着航空航天技术的发展，飞行器的飞行马赫数不断提高，对透波材料提出了更高要求。目前，陶瓷及陶瓷基复合材料以其优越的性能成为各国研究的重点，氮化硅具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗热震、电绝缘等一系列优良性能，被公认为最有希望的新一代透波材料。本文以Si3N4、BN优异的介电和机械性能为基础，采用气氛压力烧结工艺(GPS)，以La203、Smz03为烧结助剂，制各出多孔氮化硅基陶瓷材料。系统分析了烧结助剂的种类、含量及BN的加入等因素对材料力学性能、热学性能、介电性能的影响。本研究采用添加单一稀土氧化物La203或Sm203成功制备出了多孔氮化硅陶瓷。结果表明

2、：以La203为助剂时(加入量为5％)，陶瓷复合材料的密度为2．439／cm3、抗弯强度为386．61Mpa，断裂韧性为5．33MPa·mu2；以Sm203为助剂时(加入量为5％)，陶瓷复合材料的气孔率为29．86％，介电常数为3．97。比较得知，添加La203的材料力学性能更好，而添加Sm203的材料介电性能更好。借助电子显微镜对材料显微结构进行了观察，可以发现：气孔主要是由长柱状lB-Si3N4晶粒在三维空间交错搭接构成的，长柱状晶强度高、缺陷少以及柱状晶的桥接结构对裂纹的抵抗是获得高力学性能的主要原因。介电常数与介电损耗均与气孔率密切相关，随着气孔率增加，介电常数和介电损耗均成降低趋势

3、。为了改善si3N4作为透波材料时的介电和热学性能，在前面进行试验的基础上，在配方中加入氮化硼，制备了Si3N4／BN陶瓷复合材料。氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的热稳定性和更低的介电常数、介电损耗，其分解温度高达2640℃。氮化硼的加入有望使材料的综合性能得以提高，研究表明：BN粉料的加入可以有效降低si3N4基陶瓷复合材料的介电常数，提高材料的抗热震性能；但由于具有层片状结构，对气氛压力烧结Si3N4有明显的阻滞作用，会降低材料的机械性能。当BN加入量为25％时(5％La203为助剂)，陶瓷复合材料的抗弯强度为101．83Mpa，断裂韧性为1．84MPa·m“2，介电常数为3．8l，抗热

4、循环次数(室温至900℃)可达9次以上。关键词：氮化硅氮化硼气氛压力烧结透波材料稀土氧化物ABSTRACTWiththedevelopmentofaerospacetechnology，aircraftrequirewave-transparentwithhigherperformance．Ceramicandceramicmatrixcompositematerialshavebecomefocusofthestudyinmanycountriesfortheksuperiorproperties．Thestrength，hardness，wearresistance，chemicalre

5、sistance，thermalshockresistanceandelectricinsulationofsiliconnitrideareveryexcellent，SOitisregardedasthemostpromisingnewwave-transparentmaterials．TheporousceramicofsiliconnitrideinthispresentstudyWaSpreparedbyGPSwithLa203andSm203assinteringaids，whichWasbasedonthesuperiordielectricpropertiesandmecha

6、nicalperformanceofSi3N4andBN．TheeffectsofsinteringadditivesandBNonthemechanicalproperties，themalpropertiesandmicrostructuredielectricpropertiesareanalyzedindetail．TheresultsshowthattheporoussiliconnitrideWasfabricatedsuccessfullywithsinglerareearthoxides(La203orSm203)assinteringaids．1’lledensity，be

7、ndingstrengthandfracturetoughnessofceramiccompositeswithLa203(5％)硒aidsishigher，densityis2．439／cm3，bendingstrengthis386．61Mpa，fracturetoughnessis5．33MPa。m匕butceramiccompositeswithSm203asaidshavehi．ghporosity