稀土氧化物对Si3N4陶瓷力学性能和显微组织的影响

杜大明 魏圣泉 江晓东 白小波

（九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005）

0 引言

Si3N4陶瓷材料具有优良的物理机械性能和化学性能，在高温结构材料、工具陶瓷材料、耐磨和耐腐蚀陶瓷材料等方面有很大的应用潜力。由于Si3N4的强共价键和低扩散系数，很难烧结致密化，常用的烧结方法是液相烧结，即烧结助剂与Si3N4粉体表面的SiO2反应形成液相，通过溶解-析出机制烧结成致密材料，通常金属氧化物和稀土氧化物可以有效地促进Si3N4陶瓷的烧结[1-5]。本文研究了Y2O3和La2O3组成的复合烧结助剂对Si3N4陶瓷力学性能和显微组织的影响。

1 实验

实验选用上海华英精密陶瓷厂生产的Si3N4粉末，α相含量≥85%，费氏粒度为1.2μm，稀土氧化物Y2O3和La2O3为市售，化学纯。试样的成分配比如表1所示。

将各种成分的Si3N4按比例配好,加入酒精和硬质合金球在塑料筒中湿磨，将磨好的混合料干燥，过筛后，掺入5%的石蜡作成形剂，然后在钢模中压制成长条试样，在真空炉中400℃保温2h脱蜡，把生坯装入石墨舟皿内，在碳管炉中通一个大气压的N2，为抑制的Si3N4的分解，采用埋粉烧结，埋粉的成分为45%Si3N4-50%BN-5%MgO，烧结温度为1720℃，保温时间为60min。

采用排水法测定样品密度。采用三点弯曲法，在WDW-E100D型材料万能试验机上测定抗弯强度（尺寸为5mm×5mm×35mm，跨距为24mm；加载速率为0.1mm/min），每组试样取5根试样条的算术平均值。利用压痕法测定断裂韧性，将试样表面抛光，测量其维氏硬度压痕，载荷为5kg，加压时间为5s。利用日本理学D/MAX-RB型X射线衍射仪对烧结试样表面作相分析。用TESCAN VEGAⅡ型扫描电镜观察样品的显微组织。

表1 试样的组分配比(%，质量分数)Tab.1 Compositions of the samples

2 结果和讨论

2.1 助烧剂对Si3N4陶瓷致密化的影响

图1为助烧剂成分对Si3N4陶瓷致密化的影响，在1720℃下保温1h，在烧结助剂总量保持不变的情况下，随着烧结助剂中Y2O3的含量降低，La2O3的含量升高，烧结体的相对密度先升高后降低，当添加4% Y2O3-4%La2O3时试样的相对密度最高，达到了98.5%。研究表明，Y2O3和4%La2O3组成的复合助烧剂可以有效地促进Si3N4陶瓷的烧结，Y2O3∶4%La2O3=1∶1时，可以得到较高的相对密度。

2.2 助烧剂成分对Si3N4陶瓷力学性能的影响

图2和图3分别为助烧剂对Si3N4陶瓷抗弯强度和断裂韧性的影响。可以看出助烧剂对试样抗弯强度和断裂韧性的影响具有类似的规律，随着烧结助剂中Y2O3的含量降低，La2O3的含量升高，烧结体的抗弯强度和断裂韧性先升高后降低，当添加4%Y2O3-4%La2O3时试样的抗弯强度和断裂韧性最高，分别为960MPa和7.5MPa·m1/2。

2.3 助烧剂对Si3N4陶瓷显微组织的影响

利用X射线衍射仪对烧结试样表面作相分析。图4分别为试样Y6L2、Y4L4和Y2L6的XRD图谱，从图中可以看出在1720℃经过60min烧结后，三个试样的相组成均为β-Si3N4和少量的α-Si3N4。

用扫描电镜观察金相试样，其中金相试样经抛光后于1350℃在N2中热腐蚀1h。所用仪器为日本TESCAN VEGAⅡ型扫描电镜。图5分别为试样Y6L2、Y4L4和Y2L6的扫描电镜照片，在图中可以很清楚地看到三个试样具有相近的显微组织，主要为柱状晶组成，长柱状晶粒相互间形成很好的机械接触和连接，增加了晶粒间的断裂应力，对提高烧结体强度有利。当添加4%Y2O3-4%La2O3的助烧剂时，试样具有较均匀的显微组织，β-Si3N4晶粒的长径较大，有利于提高烧结体的力学性能。

3 结论

（1）Y2O3和La2O3组成的复合稀土氧化物可以有效地促进Si3N4的液相烧结，实现常压烧结制备Si3N4陶瓷，在1720℃下保温1h，相对密度可以达到98.5%。

（2）Y2O3-La2O3为烧结助剂的Si3N4陶瓷，主要由长柱状的β-Si3N4组成，有利于提高烧结体的力学性能。

（3）当添加4%Y2O3-4%La2O3的助烧剂时制备的Si3N4陶瓷具有最高的抗弯强度和断裂韧性。

1 BISWAS S K,RILEY F L.Gas pressure sintering of silicon nitride powder coated with Al2O3and TiO2.J.Am.Ceram Soc., 2003,86(2):212

2 KIM H D,HAN B D,PARK D S,et al.Novel two-step sintering process to obtain a bimodal microstructure in silicon nitride.J.Am.Ceram.Soc.,2002,85(1):245

3 LU Horng-hwa,HUANG Jow-lay.Effect of Y2O3and Yb2O3on the microstructure and mechanical properties of silicon nitride.Ceramics International,2001,279(6):621～628

4毛豫兰,杨海涛,赵雷康.氮化硅-氧化镁-氧化钇陶瓷的常压烧结.武汉理工大学学报,2006,28(6):17～19

5王晓艳,罗发,刘代军等.热压烧结氮化硅陶瓷的力学性能研究.稀有金属材料与工程,2007,36:302～304