Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量对Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构与力/热学性能的影响

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学、化学、热学性能,在电子元器件散热与封装领域具有良好的应用前景。为制备高强度、高导热的Si_(3)N_(4)陶瓷,采用Y_(3)Si_(2)C_(2)-MgO二元复合烧结助剂,系统研究了Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量与保温时间对Si_(3)N_(4)陶瓷致密度、力学性能及热导率的影响规律,并基于微观结构和物相组成分析阐释了Si_(3)N_(4)陶瓷力/热学性能的优化机制。研究结果表明:随着Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷试样(保温时间分别为4 h和12 h)的热导率和弯曲强度均呈现先增大后降低的变化规律;保温4 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受致密度的影响,保温12 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受微观结构的均匀度及晶粒尺寸的影响;保温时间的延长有利于气体排出和晶粒生长,从而促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化及热导率的提升。利用气压烧结(1900℃保温12 h),掺加1.5 mol%的Y_(3)Si_(2)C_(2)可制得致密度为99.0%、热导率为(106.80±2.64)W·m^(−1)·K^(−1)、弯曲强度为(590.21±25.69)MPa的Si_(3)N_(4)陶瓷,其具有优良的力/热学综合性能,有利于提升Si_(3)N_(4)陶瓷封装电子元器件的服役安全性与可靠性。

MoSi_(2)-Lu_(2)O_(3)-Re_(2)O_(3)复合稀土氧化物助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构与力学性能的影响

通过阿基米德排水法、SEM、XRD、三点弯曲法、压痕法等手段,研究添加不同Re(Re=Sm,Er,Yb,Lu)阳离子半径的复合稀土氧化物助剂MoSi_(2)-Lu_(2)O_(3)-Re_(2)O_(3)制备氮化硅陶瓷的显微结构与力学性能。结果表明,氮化硅陶瓷的室温抗弯强度随添加的Re阳离子半径的增加表现出增大的趋势,最高达(952.1±59.1)MPa;氮化硅陶瓷致密度在98.6%—98.9%,维氏硬度均大于16 GPa,断裂韧性为(6.6±0.3)MPa·m^(1/2)-(7.1±0.2)MPa·m^(1/2);氮化硅陶瓷晶粒的长径比随添加的Re阳离子半径增加表现出增大的趋势,晶粒的径向尺寸随添加的Re阳离子半径的增加表现出减小的趋势。

复合钎料钎焊Si_(3)N_(4)陶瓷/0Cr19Ni9钢接头的界面组织及力学性能研究

采用TiNp颗粒增强银铜基复合钎料作为焊缝填充材料,在1180 K温度下真空钎焊,实现了氮化硅陶瓷和0Cr19Ni9不锈钢的有效连接,获得了界面结合良好且无孔洞、裂纹的接头。通过向钎料中添加合金元素Ti、Ni,促进了钎料与Si_(3)N_(4)、0Cr19Ni9之间的界面反应,同时生成的TiC、TiN粒子又可作为增强体。接头组织为:Si_(3)N_(4)/TiNp+Ni N+Ti_(5)Si_(3)+Cu Ni_(8)Ti_(3)/Cu(s.s)+Ag(s.s)+TiNp/Ni_(3)Ti_(4)+Fe_(2)Ti/0Cr19Ni9。当钎焊保温时间为15 min时,接头界面的过渡层厚度较大,接头成形良好,剪切强度达到157 MPa。

Y_(2)O_(3)对高热导率Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构和性能的影响

以氧含量相对较高的“平价”Si_(3)N_(4)粉体(氧含量1.85%(质量分数))为原料,Y_(2)O_(3)-MgO作为烧结助剂,制备低成本高热导率Si_(3)N_(4)陶瓷,研究Y_(2)O_(3)含量对Si_(3)N_(4)陶瓷致密化、显微结构、力学性能及热导率的影响。结果表明,适当增加Y_(2)O_(3)的加入量不仅可以促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化和显微结构的细化,还有助于晶格氧含量的降低和热导率的提升。Y_(2)O_(3)含量为7%(质量分数)的样品在1900℃烧结后的综合性能最佳,其相对密度、抗弯强度、断裂韧性和热导率分别为99.5%、(726±46)MPa、(6.9±0.2)MPa·m^(1/2)和95 W·m^(-1)·K^(-1)。

添加TiO_(2)对Si_(3)N_(4)陶瓷刀具切削性能的影响

通过气压烧结制备添加质量分数5%TiO_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷并制成刀具,研究了TiO_(2)对其显微组织、力学性能和切削性能的影响,并与未添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷作对比。结果表明:添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷主要由长棒状与等轴状的β-Si_(3)N_(4)晶粒组成,并伴有均匀分布的TiN相,与未添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷相比,晶粒得到细化,硬度上升而断裂韧度略有下降;在连续切削灰铸铁过程中,添加TiO_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷刀具具有更长的切削寿命(有效切削长度为2410 m),并且保持了刃口的完整性,切削后黏着磨损碎片较小。

冰刀用高强韧Si_(3)N_(4)陶瓷的制备与性能研究

以α-Si_(3)N_(4)粉为原料,MgO-La_(2)O_(3)-Lu_(2)O_(3)为三元复合烧结助剂,采用气压烧结工艺制备Si_(3)N_(4)陶瓷条,研究烧结助剂及添加β-Si3N4增强相对Si3N4陶瓷微观结构及力学性能的影响。结果表明,三元复合烧结助剂促进了烧结的致密化,提高了材料的力学性能,在最高烧结温度1 750℃、复合烧结助剂添加量8%(质量分数)时,得到密度为3.172 8 g/cm^(3)、维氏硬度达到15.85 GPa、断裂韧性和抗弯强度分别为9.69 MPa·m^(1/2)和1 029 MPa的冰刀用Si_(3)N_(4)陶瓷。添加β-Si_(3)N_(4)材料的断裂韧性得到提高,最高达到10.33 MPa·m^(1/2)。Si_(3)N_(4)陶瓷本身的高硬度与加入的稀土氧化物使得所制备冰刀的硬度与润滑性能得到提高,表面性能优良。

TiZrNiCu钎焊Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)复合陶瓷与Nb接头组织及力学性能

采用高温活性钎料TiZrNiCu对Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)复合陶瓷和金属Nb进行真空钎焊试验,研究了钎焊接头典型界面结构组成及形成机制,分析了钎焊温度和保温时间对接头界面结构及力学性能的影响规律。结果表明,接头典型界面结构为Nb/β-Ti/(Ti,Zr)_(2)(Cu,Ni)+β-Ti+(Ti,Zr)_(5)Si_(3)/TiN+(Ti,Zr)_(5)Si_(3)+MoSi_(2)/Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)。钎焊温度和保温时间主要影响Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)复合陶瓷中Si原子向钎缝中的扩散数量和距离,进而影响Nb/Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)接头中(Ti,Zr)_(5)Si_(3)化合物的形成量和分布,而决定着接头的抗剪切强度。当钎焊温度为920℃,保温10 min时,Nb/Si_(3)N_(4)-MoSi_(2)接头的室温抗剪切强度最大达到112 MPa。当剪切试验测试温度达到500和600℃时,接头的高温抗剪切强度分别达到123和131 MPa。

不同摩擦配副对PEEK及CF/PEEK复合材料摩擦学性能的影响

为了选择与PEEK及其CF改性复合材料更合适的配副材料以适应苛刻的干摩擦工况,本工作选用PEEK、CF/PEEK复合材料为研究对象,利用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机在不同速度、载荷下对PEEK、CF/PEEK复合材料与Al 2O 3球、GCr15球、Si_(3)N_(4)球三种不同对磨球所组成的摩擦副进行干摩擦试验。结果表明:CF填充改性PEEK基复合材料,提高了复合材料的摩擦学性能。研究速度、载荷对其摩擦学性能的影响发现,三种对磨球所组成的摩擦副在固定载荷高速时或者固定速度重载时仍保持良好的摩擦磨损性能。三种对磨球中,GCr15轴承钢球与PEEK、CF/PEEK组成的摩擦副摩擦系数最大,磨损率最高;Si_(3)N_(4)陶瓷球的摩擦副摩擦系数最小,磨损率最低。当GCr15-CF/PEEK摩擦副在50 N、400 r/min高速时,摩擦系数为0.275,在90 N、300 r/min重载下,摩擦系数为0.254;当Si_(3)N_(4)-CF/PEEK摩擦副在50 N、400 r/min高速时,摩擦系数为0.265,在90 N、300 r/min重载下,摩擦系数为0.231。GCr15-CF/PEEK摩擦副盘试样在高速高载的苛刻工况下发生了严重的磨粒磨损和黏着磨损,而Si_(3)N_(4)-CF/PEEK摩擦副盘试样在高速高载的苛刻工况下主要是磨粒磨损和轻微的黏着磨损。

玻璃料对Si_(3)N_(4)改性硼酚醛树脂复合材料高温性能及其介电性能的影响

为了探究助熔剂对树脂基复合材料高温性能及微观结构的影响,以低熔点玻璃料(GF)为助熔剂,Si_(3)N_(4)颗粒为耐高温陶瓷填料,采用模压工艺制备GF-Si_(3)N_(4)改性高硅氧玻璃纤维增强硼酚醛树脂复合材料(GFSi_(3)N_(4)/BPR),研究GF对复合材料高温性能及介电性能的影响。结果表明:引入的GF促进了复合材料表面液相的形成和陶瓷层的致密化,抑制了热氧对复合材料的进一步侵蚀,复合材料高温性能明显提高。1200℃处理后,其弯曲强度与纯树脂试样(BPR)和未添加GF的试样(Si_(3)N_(4)/BPR)相比,分别提高了81.3%和14.9%;质量烧蚀率分别降低了73.1%和55.1%。此外,在8.2 GHz下,复合材料的介电常数(ε)和损耗角正切值(tanδ)随温度的升高逐渐增大。而在800℃以上,生成的玻璃相有效遏制了树脂裂解产生的游离碳与孔洞、裂纹对材料介电性能的不利影响。所制备的复合材料具有优良的高温性能和介电性能,有望应用在高温透波领域。