超弹性微米氮化硅陶瓷弹簧的制备、变形机理及应用的研究

制备出具有弹性的陶瓷一直是陶瓷研究者的梦想。本项目以氮化硅陶瓷为研究对象，在前期制备出的具有超弹性氮化硅弹簧的基础上，以化学气相沉积的方法优化反应条件制备出弹簧状的氮化硅陶瓷，研究弹簧状氮化硅陶瓷的形成机理。研究氮化硅陶瓷的力学性能，确保制备出的氮化硅陶瓷弹簧具有弹性和超弹性，以CCD单晶结构测量的方法研究不同拉伸状态下陶瓷的微观结构变化，以拉伸前后原子位置的变化为模型提出氮化硅陶瓷超弹性的机理。以氮化硅陶瓷弹簧为模板进一步制备复合多层结构，研究其在MEMS、微传感等领域的应用。

采用化学气相沉积的方法，优化反应条件，大量制备了氮化硅微米弹簧，通过设计实验，对微米弹簧的生长机理进行了研究，提出了一个合理的生长机制，用该机制可以解释实验中出现的现象。对单根的氮化硅微米弹簧进行了力学性能的研究，发现其具有弹簧的弹性及超弹性，拉直后可以恢复原来的形状。同时在单向拉伸试验中，对不同尺寸Si3N4微米弹簧进行拉伸，直至微米弹簧断裂。氮化硅微米弹簧发生断裂时应变范围为（一般发生在80~300%），其具有较好的韧性。根据拉伸载荷-伸长量曲线得出单根Si3N4微米弹簧的抗拉强度的范围为4.5~11 GPa，并且与弹簧线材直径存在一定的关系，即弹簧的抗拉强度与弹簧线材直径基本呈反比线性关系。所测微米弹簧样品的杨氏弹性模量的范围为240~305 GPa，也明显依赖于弹簧线材的直径，弹簧的杨氏弹性模量随着弹簧线材直径的增大而减小，然而并不呈简单的线性反比关系。对变形状态下的拉曼光谱进行测试，显示出不同的拉曼光谱，证明变形影响了其键的振动状态，初步提出了超弹性的变形机理。研究中还发现氮化硅晶须具有一些有趣的光学性质。