透明β-Si3N4陶瓷结构功能一体化研究

本项目旨在开发一种具有优良透光性能、力学性能及热导性能的结构功能一体化透明β-Si3N4 陶瓷材料。从透明β-Si3N4陶瓷与其它透明陶瓷显微结构的不同点着手，研究显微结构与透光性的关系，明确影响透光性的关键显微结构因素；从透明β-Si3N4陶瓷与传统β-Si3N4陶瓷显微结构的不同点着手，研究显微结构与力学性能、热导率之间的关系，明确透明β-Si3N4陶瓷能同时具有优良力学性能和热导性能的显微结构因素；结合β-Si3N4陶瓷显微结构形成的有关理论，设计合理的工艺，最终实现β-Si3N4陶瓷的结构功能一体化。本项目的实施及科研成果的取得将为透明装甲、战略战术导弹、航空航天等高尖端技术提供一种拥有自主知识产权、性能优异的新材料，也为制备其它结构功能一体化的透明陶瓷材料提供重要的理论指导。

采用MgSiN2作为烧结助剂，在高温下热压制备了具有晶须增韧结构的透明β-Si3N4陶瓷。X射线衍射分析表明：透明β-Si3N4陶瓷由纯β-Si3N4相组成。透明β-Si3N4陶瓷在波长为2.5 μm时透过率达到最大值，为70%，波长在0.7～4.0μm区间，透过率保持在60%以上，高透过率的获得得益于高致密度和极少的晶界相。透明β-Si3N4陶瓷截止波长为5.0 μm。所制备的透明β-Si3N4陶瓷的断裂韧性为7.2±0.3 MPa m1/2。以α-Si3N4粉为原料、MgSiN2粉为烧结助剂，低温热压制备出由85% α-Si3N4和15% β-Si3N4组成半透明α/β Si3N4复相陶瓷。半透明α/β Si3N4复相陶瓷红外波段最大透过率达到66%，高透过率的获得得益于同时实现高致密度、少晶界相和低β-Si3N4相含量。波长在2.0～4.5区间，透过率保持在50%以上，透过率在5.0 μm处截止。此外，半透明α/β Si3N4复相陶瓷显微硬度高达24.0 ± 0.5 GPa。