α-Si3N4与γ-Si3N4、α-Si3N4混合粉体超高压烧结比.docVIP

α-Si3N4与γ-Si3N4、α-Si3N4混合粉体超高压烧结比 　　摘要 以Y3O3-Al2O3-La2O3体系作烧结助剂，在5.4～5.7GPa、1620～1770K的高温高压条件下进行了α-Si3N4与γ-Si3N4、α-Si3N4粉体的烧结研究，并探讨了烧结温度及压力对烧结体性能的影响。实验结果表明：α-Si3N4、γ-Si3N4完全相变为β-Si3N4；在相同的烧结条件下，α-Si3N4比γ-Si3N4、α-Si3N4混合粉体烧结试样的相对密度、维氏硬度高。α-Si3N4与γ-Si3N4、α-Si3N4混合粉体烧结试样的最高相对密度与维氏硬度分别为98.78%、21.87GPa和98.71%、21.76GPa。烧结体由相互交错的长柱状β-Si3N4晶粒组成，显微结构均匀。 　　关键词 超高压烧结，相变，力学性能，显微结构 　　 　　1引 言 　　 　　IV(A)族氮化物是一类重要的功能材料，具有良好的力学、化学、电子学和热学性能，因此得到了广泛的应用并具有很多潜在的用途。过去，人们熟知氮化硅的两种已知物相（α和β相）均为六方结构，其中α相为P31C空间群，β相为P63m空间群，两者均可在常压和1800K的高温条件下保持稳定。高压物理学的研究进展，给人们带来了新的发现：第三种结构的氮化硅可以通过高温高压的条件合成得到，这为新的工业应用带来了希望。这种新的物相具有立方尖晶石结构（简称立方氮化硅或γ-Si3N4），其中2/3的硅离子为六配位，1/3为四配位。与α和β相比较，新物相的密度增加了26%，预期是一种新型的超硬材料。其次，由于γ-Si3N4中的硅离子被首次发现具有六配位，这可能为这种新型化合物带来许多优异的电学和光学性能[1]。 　　1999年７月，Zerr[2]等人在《Nature》杂志上首次报道了在金刚石对顶压砧过程中，通过激光加热使温度达到2000K左右，在15～30GPa的条件下使单晶硅与液态的氮反应合成出γ-Si3N4，单次合成出毫克量级的γ-Si3N4。同时通过热力学第一原理计算，预测了它的体积模量，指出其硬度可与超石英相媲美，是继金刚石、立方氮化硼之后的又一种超硬材料。同年12月，Mo等人[3]发表文章，进一步计算分析了γ-Si3N4的一些物性，指出：γ-Si3N4的能带宽度为3.45Ｖ，是一种能带半导体材料；静态介电常数约为4.70，是一种折射率很高的光电材料，可用作某些特殊性能的光电器件。继Zeer之后，Jiang［4］等人采用多???高压技术在13～17GPa的压力和2270K左右的温度条件下，使低压相的α或β相氮化硅转变为γ-Si3N4，其单次合成量也只有毫克量级。2007年7月，日本物质与材料研究机构物质研究所的Sekine等人[5]利用火药炮驱动技术产生的冲击波进行了γ-Si3N4的合成实验，利用火药炮产生的冲击波在49GPa和2400K的条件下，使近80%的β相氮化硅转变成了γ-Si3N4，首次利用动高压方法获得毫克量级的γ-Si3N4粉体。2003年，俄罗斯的A.S.Yunoshev[6]利用平面波加载装置产生的冲击波在大约21GPa和1270K的条件下合成出一定量的γ-Si3N4粉体，并指出在50GPa和2400K的条件下，γ-Si3N4的转化率最高，单次可以合成接近1g的γ-Si3N4纳米粉体。2005年，笔者用α-Si3N4为冲击压缩前驱体，采用炸药爆轰加载技术实现了在单次冲击波压缩实验中合成出克量级的γ-Si3N4粉体[7]，并首次对合成粉体进行了提纯处理[8]。 　　短短几年时间，各国学者开展了大量关于γ-Si3N4的研究工作，其代表性的成果和进展可以参阅Sekine[9]、Jiang[10]、Schwarz[11]和McMillan[12]等人或研究小组的文献和综述。但是在对γ-Si3N4烧结方面的报道，国内外还没有发现，本文介绍了笔者利用六面顶高压装置，对α-Si3N4与γ-Si3N4、α-Si3N4混合粉体进行了烧结比较研究，并对γ-Si3N4的稳定性进行了初步探索。 　　 　　2实 验 　　 　　实验采用的原料为γ-Si3N4、Y3O3、Al2O3及La2O3粉末。其中Y3O3、Al2O3和La2O3的纯度为分析纯，作为烧结助剂，γ-Si3N4为冲击波合成、经提纯后的高纯粉末[8]。各实验原料的基本参数见表1。 　　本次实验共设计了两组实验配方，如表2所示，其中A配方主要成分为α-Si3N4，B配方主要成分为γ-Si3N4和α-Si3N4。压力、烧结温度是超高压烧结实验中最重要的两个工艺参数，具体实验配方及烧结工艺设计见表2所示。 　　通过计算称量后，加入无水乙醇，在玛瑙研钵中进行混合研磨2h，使初始粉体混合均匀，然后将均匀混合的粉料置