引言

Si3N4陶瓷具有高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好、高温蠕变小和抗热冲击性好等优异的性能。由于优异的综合性能，Si3N4陶瓷已得到广泛的实际应用，如切削刀具、陶瓷轴承、电路基板以及涡轮转子等。然而，Si3N4陶瓷较强的共价键和较低的扩散系数使其难以烧结致密化。为了实现致密化，通常在烧结过程中加入合适的液相烧结助剂。目前，液相烧结助剂主要分两大类，即Al2O3-RE2O3和MgO-RE2O3(RE2O3为稀土氧化物)。

大量研究表明，以Al2O3-RE2O3和MgO-RE2O3为烧结助剂均可以通过液相烧结制备高致密的Si3N4陶瓷。但是，在高温下，与AI2O3-RE2O3体系相比，MgO-RE2O3体系具有更低的粘度，导致其对Si3N4陶瓷的α→β相变和致密化产生不同的影响。因此，以MgO-RE2O3为助剂采用常压烧结可制备出较高致密度的Si3N4陶瓷，而以Al2O3-RE2O3为助剂时通常需要热压烧结或气压烧结。此外，Al2O3-RE2O3和MgO-RE2O3对Si3N4陶瓷的显微结构具有不同的影响。例如，以Al2O3-RE2O3和MgORE2O3为助剂时，随着RE原子序数减小，晶粒生长各向异性增强，这种效应在MgO-RE2O3为助剂的Si3N4陶瓷中更为显著。

目前，对于Al2O3-RE2O3和MgO-RE2O3助剂对Si3N4陶瓷性能影响的研究基本都是在同一烧结温度下进行。然而，对于不同的烧结助剂，由于液相形成的温度不同、粘度不同，故具有其自身合适的烧结温度。因此，本文以Al2O3-RE2O3和MgO-RE2O3为烧结助剂，分别在℃和℃条件下进行热压烧结制备Si3N4陶瓷，通过对不同助剂、不同温度下制备的Si3N4陶瓷的致密度、显微结构和力学性能进行分析，以探寻不同的烧结助剂其相应的合适烧结温度，从而针对不同助剂获得综合性能最优异的Si3N4陶瓷。

1、物相与致密度分析

图1为16SN-YA、16SN-YM、18SN-YA和18SN-YM样品的XRD图。在℃热压烧结的16SN-YA和16SN-YM样品均含有α-Si3N4和β-Si3N4相。此外，在16SN-YM样品中还观测到了Y2Si3O3N4结晶相。在℃热压烧结的18SN-YM和18SN-YA样品中，由于较高的烧结温度，Si3N4已经全部转化为β相。

16SN-YA、16SN-YM、18SN-YA和18SN-YM样品的相对密度列于表2。在℃热压烧结的16SN-YM样品相对密度高于16SN-YA样品。以MgO-Y2O3为助剂，Si3N4陶瓷在℃就可以通过热压烧结实现完全致密化。这主要是由于MgOY2O3-SiO2体系具有更低的液相粘度，可以在较低温度下通过液相烧结促进Si3N4陶瓷实现致密化在℃热压烧结制备的18SN-YA和18SN-YM样品的相对密度接近，均在98%左右。然而，与16SN-YM样品相比，18SN-YM样品的相对密度稍微降低，这可能是因为在℃下MgO-Y2O3助剂发生了高温挥发所致。

2、显微结构分析

图2为16SN-YA、16SN-YM、18SN-YA和18SN-YM样品的SEM图。在℃热压烧结的16SN-YM和16SN-YA样品主要包含等轴状的Si3N晶粒。但除了等轴状Si3N4晶粒外，两样品均已开始出现棒状Si3N4晶粒，但它们显微形貌却有显著差别。在16SN-YA样品中棒状Si3N4晶粒的直径较粗，长径比较小；在16SN-YM样品中棒状Si3N4晶粒的直径较细，长径比较大，为晶须状形态。先前研究已证实，与Al2O3-Y2O3助剂相比，MgO-Y2O3助剂会使Si3N4陶瓷的晶粒生长具有更显著的各向异性。在℃热压烧结的18SN-YM和18SNYA样品中，棒状Si3N4晶粒的数量显著增加，两样品均呈现出显著的自增韧双峰结构。当热压烧结温度从℃提高到℃，以Al2O3-Y2O3为助剂时，Si3N4陶瓷中棒状Si3N4晶粒的直径和长径比均增加；以MgO-Y2O3助剂时，主要是Si3N4陶瓷中棒状Si3N4晶粒直径增加。同时，与18SN-YA样品相比，18SN-YM样品整体显微结构更为粗化，棒状Si3N4晶粒的直径更粗，长径比也更高。

3、力学性能

表2列出了16SN-YA、16SN-YM、18SN-YA和18SN-YM样品的硬度、抗弯强度和断裂韧性。由表2可知，16SN-YA、16SN-YM、18SN-YA和18SNYM样品的硬度分别为16.94±0.04GPa、16.53±0.21GPa、15.60±0.27GPa和15.21±0.45GPa。在同一温度下，以Al2O3-Y2O3和MgO-Y2O3为助剂分别制备的Si3N4陶瓷硬度数值接近。但是随着烧结温度的提高，由于显微结构的粗化，Si3N4陶瓷硬度均稍微降低。

在℃热压烧结的16SN-YA与16SN-YM样品的抗弯强度分别为.59±65.95MPa和.90±61.73MPa。16SN-YA样品强度较低可能是因为其致密度较低以及棒状Si3N4晶粒长径比较小。而16SN-YM样品，则因其完全致密化、含有较高长径比的晶须状Si3N4晶粒以及含有Y2Si3O3N4结晶相，具有较高的抗弯强度。在℃热压烧结的18SN-YA和18SN-YM样品的抗弯强度接近，分别为.99±68.39MPa和.99±51.72MPa。与16SN-YA样品相比，18SN-YA样品的抗弯强度显著提高，主要归因于更显著的双峰结构。而与16SN-YM样品相比，18SN-YM的抗弯强度稍微下降，可能与其致密度出现降低有关。

在℃热压烧结的16SN-YA和16SN-YM样品的断裂韧性分别为5.06±0.13MPa·m1/2和6.74±0.17MPa·m1/2。与16SN-YA样品相比，16SN-YM样品的断裂韧性提高了约33%，这是因为其包含了具有较高长径比的晶须状Si3N4晶粒的缘故。在℃热压烧结的18SN-YA和18SN-YM样品的断裂韧性均提高，分别为7.13±0.37MPa·m1/2和7.87±0.15MPa·m1/2。这是由于随着烧结温度的提高，棒状Si3N4晶粒的数量均显著增加，表现为更显著的自增韧双峰结构。同时，由于18SNYM样品中棒状Si3N4晶粒长径比较高，故其断裂韧性仍然稍高于18SN-YA样品。

从以上研究可以看出，以MgO-Y2O3助剂，在低温下(℃)热压烧结的Si3N4陶瓷具有非常优异的综合力学性能，其硬度、抗弯强度和断裂韧性均较高。同时，值得注意的是，含有不同烧结助剂的Si3N4陶瓷在不同烧结温度下具有不同的力学性能。对于Al2O3-Y2O3助剂，较高烧结温度制备下的Si3N4陶瓷具有较优异的综合力学性能；而对于MgO-Y2O3助剂，较低的烧结温度下制备的Si3N4陶瓷具有更优异的综合力学性能。因此，在研究烧结助剂对Si3N4陶瓷性能的影响时，一定需要结合其特定合适的烧结温度，才能有望获得综合性能优异的Si3N4陶瓷。

4、结论

本实验以高纯α-Si3N4为原料，以Al2O3-Y2O3和MgO-Y2O3为烧结助剂，在1atmN2、30MPa条件下，通过热压烧结分别在℃和℃下制备了Si3N4陶瓷。

(1)以Al2O3-Y2O3助剂，在℃热压烧结制备的Si3N4陶瓷具有显著的双峰结构和优异的综合力学性能，硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为15.60±0.27GPa、.99±68.39MPa和7.13±0.37MPa·m1/2；

(2)以MgO-Y2O3助剂，在℃热压烧结制备的Si3N4陶瓷具有较高的致密度，并且含有长径比较高的晶须状Si3N4晶粒，其综合力学性能最优异，硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为16.53±0.21GPa、.90±61.73MPa和6.74±0.17MPa·m1/2；

(3)在研究烧结助剂对Si3N4陶瓷性能影响时，一定需要结合其特定合适的烧结温度，才能有望获得综合性能优异的Si3N4陶瓷。

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