基于晶须表面性能调控的高导热氮化硅陶瓷制备及结构研究

本项目旨在获得一种新的调控显微结构、制备高强度高导热氮化硅陶瓷的方法。氮化硅是优异的结构陶瓷材料，同时具有较高的潜在导热率，高强度高导热氮化硅材料在微波透过及微电子封装领域有广泛的用途。添加晶须是提高材料热学及力学性能的有效途径，但需要解决烧结困难、难以致密化的问题。本项目拟以稀土氧化物为晶须生长促进剂，通过自蔓延方法，对氮化硅晶须表面氧化物层的组成、含量和状态进行调控，调节晶须表面性能，改善烧结性能，并结合适当的后处理工艺、烧结助剂体系和烧结工艺，对氮化硅材料的显微结构进行设计和控制，制备同时具有优异的力学性能和高热导率的氮化硅陶瓷材料。利用自蔓延工艺的特殊性来调节晶须的表面性能是一种新的控制氮化硅陶瓷显微结构的方法，本项目的实施和成果的取得，可以极大地丰富陶瓷力学、光学、电学及显微结构控制方面的理论，为探索和开发具有复杂显微结构的结构功能一体化材料提供重要的理论指导。

结题摘要：本项目通过自蔓延方法，以稀土氧化物为添加剂，获得具有均匀显微结构的氮化硅晶须，晶须经表面处理后，具有较高的表面活性，通过控制后续的烧结工艺和显微结构，获得具有较高强度，同时具备较高热导率的氮化硅材料。主要的内容包含三个方面：1）在氮化硅晶须的制备和显微形貌调控方面，研究了不同的添加剂类型、添加剂用量、气氛压力、稀释剂含量等对晶须最终显微形貌的影响，并在添加剂含量在3-7wt%之间实现了均匀的晶须制备。2）对制备的晶须进行了酸洗、球磨等工艺条件的探索，对晶须表面情况进行了分析，初步实现了晶须的均匀分布。3）采用热压烧结方法，对不同烧结时间、晶须添加量情况下获得的氮化硅材料的显微形貌和力学性能、热导率等进行了研究。随着晶须添加量的增加，材料的韧性有较大提高，而抗弯性能下降，在材料强度保持在766MPa以上的情况下，最高热导率可达83 W/(m•K)-1。项目结果距离预订目标有一定差距，尤其是热导率提升方面，还有待进一步深入的研究。通过进行材料的显微结构，达到同时具有较好力学性能和热导率，是结构陶瓷功能化的重要方法之一。