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多孔氮化硅透波材料的制备与性能研究

2020-12-08阅读(967)

多孔氮化硅透波材料的制备与性能研究

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La2O3、8m2O3为烧结助剂,制备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La2O3或Sm2O3成功制备出了多孔氮化硅陶瓷。结果表明:以La2O3为助剂时（加入量为5%）,陶瓷复合材料的密度为2.43g/cm3、抗弯强度为386.61Mpa,断裂韧性为5.33MPa·m1/2;以Sm2O3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La2O3的材料力学性能更好,而添加Sm2O3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β-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。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%La2O3为助剂）,陶瓷复合材料的抗弯强度为101.83Mpa,断裂韧性为1.84MPa·m1/2,介电常数为3.81,抗热循环次数（室温至900℃）可达9次以上。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 透波材料概述
  • 1.1.1 透波材料简介
  • 1.1.2 透波材料研究现状
  • 1.1.3 透波材料发展趋势
  • 1.2 氮化硅概述
  • 1.2.1 氮化硅的晶体结构
  • 1.2.3 氮化硅陶瓷的制备工艺
  • 1.2.4 氮化硅陶瓷的应用
  • 1.3 多孔陶瓷概述
  • 1.3.1 多孔陶瓷的种类
  • 1.3.2 多孔陶瓷的制备工艺
  • 1.3.3 多孔陶瓷的应用
  • 1.4 本论文研究工作
  • 1.4.1 课题来源及研究目的
  • 1.4.2 研究内容
  • 1.4.3 本研究创新点
  • 第二章 实验原料及性能测试方法
  • 2.1 试验原料
  • 3N4粉料'>2.1.1 Si3N4粉料
  • 2.1.2 BN粉料
  • 2O3、Sm2O3粉料'>2.1.3 La2O3、Sm2O3粉料
  • 2.1.4 其他原料
  • 2.2 试验所需仪器设备
  • 2.3 试样制备
  • 2.3.1 陶瓷复合粉体的制备
  • 2.3.2 坯体成型
  • 2.3.3 烧结
  • 2.4 性能分析测试方法
  • 2.4.1 密度及气孔率的测定
  • 2.4.2 抗弯强度的测定
  • 2.4.3 断裂韧性的测定
  • 2.4.4 显微结构分析
  • 2.4.5 介电性能测试
  • 2.4.6 热学性能测试
  • 第三章 氮化硅陶瓷材料烧结工艺理论基础
  • 3.1 氮化硅的烧结动力学
  • 3N4的烧结动力学'>3.1.1 α-Si3N4的烧结动力学
  • 3N4的烧结动力学'>3.1.2 β-Si3N4的烧结动力学
  • 3.1.3 烧结制度
  • 3.2 氮化硅烧结热力学
  • 3.2.1 理论基础
  • 3N4氧化热力学'>3.2.2 Si-N-O系统和Si3N4氧化热力学
  • 3.2.3 B-N-O系统和BN材料氧化热力学
  • 3.2.4 烧结气氛的确定
  • 3.3 制备工艺的确定
  • 3.4 氮化硅晶粒原位异向生长机理
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 添加稀土氧化物制备多孔氮化硅
  • 4.1 烧结助剂的选择
  • 4.2 试样制备及烧结
  • 4.3 烧结助剂含量对材料性能的影响
  • 4.3.1 烧结助剂含量对材料气孔率的影响
  • 4.3.2 烧结助剂含量对材料抗弯强度的影响
  • 4.3.3 烧结助剂含量对材料韧性的影响
  • 4.3.4 烧结助剂含量对材料介电常数的影响
  • 4.3.5 烧结助剂含量对材料微观结构的影响
  • 4.4 不同烧结助剂对材料的影响
  • 4.4.1 不同烧结助剂对材料性能的影响
  • 3N4的微观结构分析'>4.4.2 不同烧结助剂多孔Si3N4的微观结构分析
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 Si-B-O-N系氮化硅基透波材料的制备及性能研究
  • 5.1 前言
  • 5.2 试样制备及烧结
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 氮化硼对复合材料密度的影响
  • 5.3.2 氮化硼对复合材料气孔率的影响
  • 5.3.3 氮化硼对复合材料抗弯强度的影响
  • 5.3.4 氮化硼对复合材料断裂韧性的影响
  • 5.3.5 氮化硼对复合材料热学性能的影响
  • 5.3.6 氮化硼对复合材料介电性能的影响
  • 5.3.7 氮化硼对复合材料显微结构的影响
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表论文情况

    • 相关论文文献

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