红外透明α/β Si3N4复相陶瓷结构功能一体化设计及低温制备研究

α-Si3N4的红外透过率约80%，显微硬度约23Gpa；棒状β-Si3N4颗粒能起到桥联、裂纹偏转等增韧作用，因此，α/β Si3N4复相陶瓷是一种很有潜力的结构功能一体化材料。本项目将选择合适的Si3N4原料和烧结助剂，低温烧结以降低α→β相变速率，制备出一定透明度的α/β Si3N4复相陶瓷，研究物相组成、显微结构与透光性、力学性能之间的关系，明确透光性、力学性能的物相组成及显微结构因素，结合α/β Si3N4复相陶瓷显微结构形成的有关理论，设计合理的工艺，最终制备出结构功能一体化红外透明α/β Si3N4复相陶瓷。本项目的实施将获得一种具有自主知识产权、高硬度、高强度、高韧性的红外透明α/β Si3N4复相陶瓷材料，为我国国防、航空航天等高尖端领域提供一种性能优良的材料，也为氮化硅陶瓷和其它非立方相透明材料的设计及制备提供重要的理论指导。

采用MgSiN2作为烧结助剂，在1563oC低温下热压1小时，成功制备出了红外透明的α/β Si3N4复相陶瓷，其组成为85％的α-Si3N4和15％的β-Si3N4。这种α/β Si3N4复相陶瓷在中红外区域的最大透过率达到66%，之所以能够实现透明，是由高致密度、低晶界相含量和低β-Si3N4含量三重因素共同作用的结果。此外，该陶瓷的显微硬度非常高，达到了24.0±0.5 GPa。氮化硅镁在烧结过程中会与氮化硅粉体表面的二氧化硅层发生反应，形成较多的Mg–Si–O–N玻璃相，促进氮化硅陶瓷的致密化，与氧化镁等氧化物烧结助剂相比，氮化硅镁中氮含量要高很多，玻璃相中的硅和氮最终会以氮化硅的形式析出，减少了玻璃相的含量，提高陶瓷的透光性。红外透明α/β Si3N4复相陶瓷为研究人员通过改变原料或者烧结制度来实现光学、力学性能的剪裁提供了一种新的思路。