Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние исследований конструкционной керамики si3n4 (литературный обзор) 14
1.1 Перспективы и области применения керамики на основе Si3N4 14
1.2 Физические и химические свойства Si3N4 16
1.3 Методы получения керамических материалов на основе Si3N4 17
1.4 Механические характеристики керамики на основе Si3N4 23
1.5 Особенности структуры керамики на основе нитрида кремния 27
1.6 Диэлектрические характеристики керамики на основе нитрида кремния 32
1.7 Постановка задач исследования 36
ГЛАВА 2. Технология изготовления образцов и методы исследований 39
2.1 Получение керамики на основе Si3N4 методом спекания без давления 39
2.2 Получение керамики на основе Si3N4 методом искрового плазменного спекания 44
2.3 Дифференциально-термический анализ и термогравиметрический анализ 44
2.4 Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ 45
2.5 Растровая электронная микроскопия 45
2.6 Просвечивающая электронная микроскопия 45
2.7 Механические испытания
2.7.1 Одноосное сжатие 46
2.7.2 Трехточеченый изгиб 46
2.7.3 Четырехточечный изгиб 47
2.7.4 Двуосное сжатие 48
2.7.5 Микротвердость 48
2.7.6 Трещиностойкость з
2.7.7 Ударная вязкость 51
2.8 Метод резонанса 51
2.9 Метод лазерной вспышки 52
2.10 Коэффициент термического расширения 53
2.11. Диэлектрические и радиотехнические характеристики 53
2.12 Пикнометрический анализ 54
2.13 Ртутная порозиметрия 55
2.14 Весовой анализ 55
2.15 Определение модуля Юнга методом индентирования 55
ГЛАВА 3. Исследование структуры и фазового состава керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3 Y2O3 и Al2O3-MgO 56
3.1 Изучение микроструктуры керамики на основе нитрида кремния, полученной методом свободного спекания 56
3.2 Изучение микроструктуры керамики на основе нитрида кремния, полученной методом искрового плазменного спекания 61
3.3 Изучение фазового состава керамики на основе нитрида кремния, полученной методом свободного спекания 65
3.4 Исследование фазового состава керамики на основе нитрида кремния,
полученной методом искрового плазменного спекания 69
3.5. Выводы по главе 72
ГЛАВА 4. Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3 и Al2O3-MgO 74
4.1 Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния, полученной методом свободного спекания 74
4.2 Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния, полученной методом искрового плазменного спекания 80
4.3. Исследование модуля Юнга керамики на основе нитрида кремния с
добавлением Al2O3-Y2O3, полученной свободным спеканием на основании анализа кривых нагрузки-разгрузки индентора 84
4.4 Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3, полученной методом свободного спекания в процессе механических испытаний на двуосное сжатие 89
4.5 Выводы по главе 95
ГЛАВА 5. Исследование физических и диэлектрических свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением al2o3-y2o3, полученной методом свободного спекания 98
5.1 Исследование физических свойств 98
5.2 Изучение теплоемкости 102
5.3 Изучение диэлектрических свойств 105
5.4 Выводы по главе 5 107
Заключение 108
Список использованных источников
- Особенности структуры керамики на основе нитрида кремния
- Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ
- Изучение микроструктуры керамики на основе нитрида кремния, полученной методом искрового плазменного спекания
- Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3, полученной методом свободного спекания в процессе механических испытаний на двуосное сжатие
Введение к работе
Актуальность темы
Керамические материалы на основе нитрида кремния демонстрируют многообразие физических свойств (высокая прочность, твердость, термостабильность и теплопроводность, коррозионная стойкость и износостойкость, низкий коэффициент термического расширения). Помимо превосходных прочностных свойств керамика на основе нитрида кремния имеет ряд уникальных функциональных характеристик. Известно, что нитрид кремния может эффективно применяться в производстве таких составных элементов ракетных, а также летательных аппаратов, как передние кромки, головные части ракет (носовые конусы), обтекатели антенн, сопла и втулки ракетных двигателей, радиопрозрачные окна [1].
Такие широко известные методы, как горячее изостатическое прессование (ГИП) и газовое прессование имеют значительные ограничения с точки зрения технологического процесса, в частности отличаются высокой себестоимостью и энергозатратностью. По этим причинам повышенный интерес представляет разработка в рамках масштабного производства новых менее дорогостоящих методов получения керамики на основе нитрида кремния
Данное диссертационное исследование посвящено разработке новых альтернативных методов получения керамических материалов на основе нитрида кремния и характеристике свойств полученных материалов. Такими инновационными методами являются свободное спекание без давления в атмосфере азота и искровое плазменное спекание. В рамках настоящего исследования предлагается разработка конкурентоспособной и целесообразной технологии получения конструкционного керамического материала на основе нитрида кремния (с добавлением оксидов магния и алюминия) методом холодного изостатического прессования (ХИП) с дальнейшим свободным спеканием, которая приведет к получению материала с повышенными физико-механическими характеристиками.
Разработанные керамические материалы на основе нитрида кремния являются принципиально новыми, ранее не исследованными и незапатентованными.
На основании вышеизложенного была сформулирована цель данной
диссертационной работы.
Цель работы – разработка технологии и установление закономерностей
изменения структуры, физических и механических свойств, а также фазового состава керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксидных добавок Al2O3-Y2O3 и Al2O3-MgO, полученной свободным спеканием в атмосфере азота и искровым плазменным спеканием.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие
основные задачи.
-
Разработана технология получения керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксидов Al2O3-Y2O3 и Al2O3-MgO методами свободного спекания и искрового плазменного спекания.
-
Определены закономерности изменения фазового состава и структуры (тип фаз, тип кристаллической решетки, параметры элементарной ячейки различных кристаллических структур, размер и форма структурных составляющих) синтезированных керамических образцов на основе нитрида кремния в зависимости от состава и метода получения на примере систем оксидных добавок типа Al2O3-Y2O3 и Al2O3-MgO.
-
Проанализированы механические, в том числе упругие свойства керамических материалов на основе нитрида кремния с добавлением оксидов Al2O3-Y2O3 и Al2O3-MgO, полученных методами спекания без давления и искрового плазменного спекания, с определением следующих количественных характеристик: предел прочности на трехточечный изгиб, трещиностойкость, микротвердость и модуль Юнга.
-
Установлены особенности диэлектрических свойств синтезированных свободным спеканием без давления керамических образцов на основе нитрида кремния на примере материала, включающего в качестве оксидной добавки Al2O3-Y2O3в состав шихты:
а) идентифицированы и проанализированы диэлектрические свойства с определением
следующих количественных характеристик: тангенс угла диэлектрических потерь,
диэлектрическая проницаемость;
б) определены теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и КТР.
Научная новизна
В диссертационной работе:
-
Впервые разработана технология получения и изготовлены образцы керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксидов Al2O3-Y2O3 (6 мас.% и 9 мас.%.) и Al2O3-MgO (6 мас.% и 2 мас.%.) с помощью метода свободного спекания (при температуре 1650 С для системы добавок Al2O3-Y2O3 и при температуре 1800 С для системы типа Al2O3-MgO) и метода искрового плазменного спекания аналогичных композиций (при температурах 1550 С и 1650 С).
-
Впервые установлено, что керамический материал на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3, полученный методом спекания без давления продемонстрировал нетипичный для подобного рода материалов фазовый состав, представленный -сиалоном типа Si5AlON7, нитридом кремния -модификации, а также небольшим содержанием -сиалона Y2SiAlO5N.
-
Впервые показано, что полученные материалы на основе нитрида кремния с высоким содержанием оксидов типа Al2O3-Y2O3 (6 мас.% и 9 мас.%.) и Al2O3-MgO (6 мас.% и 2 мас.%.) в составе шихты, изготовленные методами спекания без давления и искрового плазменного спекания, характеризуются высоким уровнем механических свойств таких, как микротвердость 2000 HV и модуль упругости 250 ГПа.
-
Впервые экспериментально установлено, что в керамических образцах на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3, полученного методом свободного спекания без давления наблюдается удачное сочетание таких диэлектрических свойств как диэлектрическая проницаемость порядка 7,05-7,08 и тангенс угла диэлектрических потерь tg=1,4510-3.
Практическая значимость работы
В рамках данной диссертационной работы была разработана уникальная технология получения керамики на основе нитрида кремния методом холодного изостатического прессования, а также спекания без давления, защищенная патентом РФ № 2016106010 «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ». Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы при разработке новых материалов на основе нитрида кремния, обладающих специфическими физическими свойствами, в частности, совокупностью высоких механических и удовлетворительных диэлектрических свойств для изготовления изделий радиотехнического назначения.
Разработанная технология получения керамических материалов на основе нитрида кремния со спекающими добавками систем оксидов типа Al2O3-Y2O3 методом свободного спекания без давления в атмосфере азота позволяет снизить температуру спекания до 1650С, а также снизить время спекания до 1 часа., что способствует удешевлению и упрощению технологического процесса изготовления керамических изделий. По результатам исследований можно рекомендовать данный материал для применения в производстве таких составных элементов летательных аппаратов, как передние кромки, головные части ракет (носовые конусы), обтекатели антенн, сопла и втулки ракетных двигателей, радиопрозрачные окна [1].
Достоверность
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием
взаимодополняющих экспериментальных методов исследования,
воспроизводимостью экспериментальных результатов, полученных на большом количестве предварительно аттестованных образцов; количественным и качественным описанием обнаруженных экспериментальных закономерностей; получением физически обоснованных оценок некоторых величин, сделанных при анализе экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Структура и фазовый состав керамических материалов на основе нитрида кремния, полученных спеканием без давления при температурах 1650 С и 1800С, а также искровым плазменным спеканием при температурах 1550С и 1650С со спекающими добавками систем оксидов типа Al20з-У20з и AlОз-MgO.
-
Механические свойства керамических материалов на основе нитрида кремния, полученных спеканием без давления при температурах 1650С и 1800С, а так же искровым плазменным спеканием при температурах 1550С и 1650С со спекающими добавками систем оксидов типа Al20з-У20з и AlОз-MgO.
-
Диэлектрические свойства керамического материала на основе нитрида кремния, полученного спеканием без давления в атмосфере азота при температуре 1650С со спекающими добавками систем оксидов типа Al20з-У20з.
Связь работы с научными программами и темами
Прикладные научные исследования были проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России по Соглашению № 14.577.21.0111 от 22 сентября 2014 г. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0111.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на крупнейших российских и международных конференциях, таких как Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: на 21st Annual International Conference on Composites or Nano Engineering, Tenerife, Spain, 21-27.07. 2013 г.; Nanocon 2013, Brno, Czech republic, 16-18.10.2013 г.; Nanocon 2014, Brno, Czech republic, 5-7.11.2014 г. и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад
В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: приготовление образцов, подготовка и проведение экспериментов, получение и анализ экспериментальных данных, подготовка и публикация научных статей. Обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати проводилась при участии научного руководителя д.ф.-м.н. Красильникова В.В.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов и списка литературы из 118 наименований. Основная часть работы изложена на 122 страницах, содержит 31 рисунок и 19 таблиц.
Особенности структуры керамики на основе нитрида кремния
Для изготовления деталей небольшого размера и относительно простой формы широко используется метод ГИП [15]. Материал, полученный методами ГИП и SPS, отличается высокими прочностными свойствами. К недостаткам двух данных методов можно отнести колоссально высокие затраты на производство а также невозможность получения изделий сложной формы и большого размера, что является крайне негативным фактором с точки зрения промышленного производства. Известно, что процесс горячего изостатического прессования является априорно значительно более дорогостоящим, нежели метод холодного изостатического прессования. Проведем сравнительный экономический анализ двух рассматриваемых технологий. К примеру, можно отметить, что цена самого оборудования для ГИП на порядок выше, нежели для ХИП. В частности, цена газостата, приобретенного одной из крупнейших фирм СНГ по производству газовых турбин составила порядка 280 млн. рублей [16], в другом источнике [17] стоимость газостата оценивается в 350 млн. рублей, в то время как цена пресса для компактирования методом ХИП составляет около 5 млн. рублей. Закономерно, что эксплуатация в процессе ГИП более дорогостоящего оборудования вкупе с необходимостью использования высоких температур и, как следствие, больших энергетических затрат на производство будет значительно более затратной с материальной точки зрения. Так, стоимость одного цикла ГИП с применением пресса марки SO 12200 фирмы EPSI (Бельгия) варьируется в диапазоне 120-130 тыс. рублей [18]. Немаловажным фактором является также размер рабочей области пресса. Так, на официальном сайте крупнейшего мирового поставщика оборудования Бельгийской фирмы EPSI указано, что диаметр рабочей области производственного пресса ХИП составляет порядка 1750 мм, в то время как горячая область пресса ГИП составляет около 50-200 мм (ввиду крайне высокой цены крупных промышленных газостатов на практике в производстве используются, так называемые, прессы среднего размера) [19]. В связи с указанными размерами рабочей области, очевидно, что методом ХИП можно получать детали большего размера, что является чрезвычайно важным фактором для производства. Еще одним определяющим моментом является возможность использования в процессе ХИП графитовых, а также силиконовых пресс-форм разнообразной конфигурации, что позволяет получать изделия сложной формы [20]. ХИП обычно применяется для предварительной формовки порошковых материалов перед дальнейшим спеканием или горячей изостатической обработкой. ХИП бывает двух типов: жидкостное изостатическое прессование и сухое изостатическое прессование. При жидкостном прессовании сосуд высокого давления заполняется жидкостью, и резиновая оболочка с порошком помещается в жидкость. При сухом изостатическом прессовании, в качестве оболочки выступает непосредственно сам сосуд высокого давления. Данный тип прессования применяется для получения деталей несложной формы и небольших размеров.
Главным преимуществом изостатической обработки является однородность распределения плотности по объему детали, что в дальнейшем оказывает влияние на усадку материала в процессе спекания. Для длинных деталей, а также для деталей сложной формы использование гидравлического пресса может привести к неравномерному распределению плотности порошка по длине детали. В изостатическом прессовании данный недостаток устраняется в результате воздействия всестороннего давления. Следует отметить, что технология формования при помощи изостатического пресса подразумевает использование связки при прессовании, которая в дальнейшем выжигается в процессе спекания. Популярными являются и методы ХСП и реакционного связывания. Данные методы отличаются простотой и широким применением на практике, однако изделия, полученные с их помощью, имеют ряд существенных недостатков, а именно, не слишком высокие прочностные показатели вкупе с низкой плотностью (реакционное связывание и ХСП), а также неравномерным распределением свойств формуемого изделия по объёму (ХСП).
Таким образом, в силу дороговизны и высоких энергозатрат наиболее популярных методов получения конструкционной керамики, возникает очевидная необходимость поиска новых альтернативных методов получения керамических конструкционных материалов.
Также, немаловажным является процесс высокотемпературного спекания. Ключевая задача спекания наноматериалов - достижение высокой плотности материала при условии сохранения наноразмерных зерен.
В процессе спекания осуществляется конечная консолидация получаемых деталей. Спекание может быть реализовано как в вакууме, так и в среде инертного газа. Температура спекания выбирается чуть ниже точки плавления материала. При данной температуре скорость процесса диффузии будет максимальная, что приводит к увеличению плотности образца. При спекании можно получить плотность материала в диапазоне 94% - 99%.
В процессе горячего изостатического прессования реализуется одновременное воздействие на обрабатываемый материал температуры (как в процессе спекания) и давления. Это приводит к равномерному уплотнению и спеканию материала. ГИП может быть использовано для непосредственной обработки порошковых материалов или для дополнительной обработки деталей после процесса ХИП.
Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ
Для наблюдения тонкой структуры использовался просвечивающий электронный микроскоп JEM-2100 с ускоряющим напряжением 200 кВ и оснащенный приставкой для локального химического анализа. Образцы для исследования структуры методом просвечивающей электронной микроскопии подготавливали механической полировкой на шлифовальной бумаге с уменьшением ее зернистости с последующей полировкой с использованием суспензии OP-S. Из шлифованного образца методом ионного травления была изготовлена тонкая фольга. Утоненные фольги помещались под ионную пушку «Ion Milling model 1010» фирмы «Fischione», где осуществлялась финальная полировка фольги ионным пучком. До образования отверстия, начальный угол полировки составлял 11. После образец выставлялся на угол 9 на 20 мин.
Испытания на одноосное сжатие проводились на универсальной гидравлической испытательной машине для статических испытаний Instron Satec LX300 в диапазоне температур 20-500 С в соответствии с ГОСТ 8462-85. Исследуемые образцы имели форму параллелепипеда и размеры 9,6х9,6х5,6 мм. Для получения достоверных результатов испытывалось не менее трех образцов на точку. Предел прочности был рассчитан по формуле: ос=- (1) F где аC - предел прочности, P - максимальная нагрузка, F - площадь поперечного сечения. С помощью программного пакета SigmaPlot 11 были построены диаграммы истинных напряжений в координатах oC(s).
Испытания на трехточечный изгиб проводились на универсальной гидравлической испытательной машине для статических испытаний, Satec LX300, Instron. Исследуемые образцы имели форму параллелепипеда и размеры 9,6х9,6х5,6 мм. Испытания проводились в диапазоне температур 20-500 С согласно ГОСТ 8462-85. Расстояние между опорами 30 мм. Предел прочности на трехточеченный изгиб вычислялся по формуле: где B – предел прочности при трехточечном изгибе, Р – максимальная нагрузка, l – расстояние между осями опор, b – ширина образца, h – высота образца.
Испытания на четырехточечный изгиб проводились на универсальной испытательной машины Zwick Roell Z005 с целью вычисления модуля Юнга. Исследуемые образцы имели форму параллелепипеда и размеры 7,2х6,4х45,0 мм. Испытания проводились при комнатной температуре согласно ГОСТ 8462-85, а также согласно DIN EN 843-1 2007-03 и DIN EN 843-3 2005. Испытания проводились вплоть до нагрузки величиной 200 Н без разрушения образца. Для измерения степени деформации использовались тензодатчики. Напряжение при четырехточечном изгибе было рассчитано по формуле: ЩА-и (3) в 2bh где ов - предел прочности при четырехточечном изгибе, Р - максимальная нагрузка, h - расстояние между осями нижних опор, h - расстояние между осями верхних опор, Ъ - ширина образца, h - высота образца посередине пролета. С помощью программного пакета SigmaPlot 11 были построены диаграммы истинных напряжений в координатах ав (є). Модуль Юнга был рассчитан как тангенс угла наклона ав (є).
Для определения предела прочности на двуосное сжатие использовалась методика «Шар на трех шарах». Испытания были проведены согласно ASTM F 394. Данная методика является сравнительно новой в области двуосных испытаний хрупких керамических материалов. Испытания проводились при комнатной температуре.
Для оценки микротвердости исследуемой керамики были проведены испытания методом Виккерса и Кнупа согласно ГОСТ 2999-75. Измерение микротвердости производилось по формулам: HV = 1,854 , (4) d2 НК = 1,423 (5) d2 здесь HV и НК -микротвердость Виккерса и Кнупу, Р- нагрузка на индентор, d- среднее арифметическое длин диагоналей (от угла до угла) ромбического отпечатка; для микротвердости по шкале Кнупа, d- длина большей диагонали. Для метода Викерса применялась стандартная нагрузка величиной 0,5 кг, тогда как для метода Кнупа применялась нагрузка величиной 2,5 кг в связи с тем, что при более низких нагрузках отпечаток индентора был трудно различим. Исследования проводились с помощью микротвердомера «Kuntz and Creek» Mcke и автоматического микротвердомера марки DM 8 производства фирмы «AFFRI». Снимки полученных отпечатков производились с помощью оптического микроскопа Keyence VHX-500.
Изучение микроструктуры керамики на основе нитрида кремния, полученной методом искрового плазменного спекания
В основе процесса искрового плазменного спекания лежит модифицированный метод горячего прессования, при котором электрический ток пропускается непосредственно через пресс-форму и прессуемую заготовку, а не через внешний нагреватель. С помощью импульсного электротока и т.н. «эффекта плазмы искрового разряда» («spark plasma effect») достигается очень быстрый нагрев и исключительно малая продолжительность рабочего цикла. Это позволяет подавить рост зерна и получить равновесное состояние, что открывает возможности для создания новых материалов с ранее недоступными композициями и свойствами, материалов с субмикронным или наномасштабным зерном, а также композитных материалов с уникальными или необычными свойствами [79].
Структура керамики на основе нитрида кремния, полученной методом SPS, зависит, главным образом, от типа и количества спекающих добавок и от параметров технологического процесса (давление, температура нагрева, время выдержки и т.д.). В частности, как правило, с целью повышения показателя теплопроводности в качестве добавки используют небольшое количество углеродных нанотрубок, сгруппированных, главным образом, по границам зерен, что, ожидаемо, ведет к повышению пористости конечного материала. Зачастую, технология свободного спекания за счет продолжительного времени выдержки приводит к формированию вытянутых зерен -типа и субмикронной структуры.
На рис. 3.4 а) приведены изображения мкроструктуры керамического материала на основе нитрида кремния с добавлением Al20з-У20з, полученного искровым плазменным спеканием при 1550С в течение 15 минут. Структурные составляющие представляют собой равноосные зерна разного размера: более мелкие и более крупные зерна размером 200 нм и 520 нм, соответственно. Средний размер зерен составил 365 нм. Полученная структура является традиционной и типичной для a-Si3N4 керамики.
Микроструктура керамики на основе нитрида кремния с добавлением AI2O3-Y2O3, изготовленной искровым плазменным спеканием при 1650С (время выдержки 15 минут) показана на рис. 3.4 б). Можно отметить преобладание крупных вытянутых зерен, соответствующих -фракции со средним размером 1,5 мкм и наличие округлых структурных составляющих со средним размером 450 нм. Наблюдаемая структура является характерной для -Si3N4 керамики.
Структура материала системы типа AlОз-MgO представлена структурными составляющими размером от 400 до 830 нм (средний размер 615 нм) для материала, спеченного при температуре 1550С, и 508-850 нм (средний размер 679 нм) для материала, изготовленного при 1650С. Очевидно, что более высокая температура спекания способствует протеканию рекристализационных процессов, ведущих к незамедлительному росту зерна. Различия плотности рассматриваемых материалов были незначительны (3,13 г/см3 и 3,14 г/см3 для 1550С и 1550С, соответственно), но в то же время ниже, чем аналогичные показатели для материалов системы А120з и Y203.
В работе Пэна и др. [34] показано, что микроструктура керамики на основе нитрида кремния, полученной искровым плазменным спеканием при температурах 1400-1600C представляла собой равноосные зерна ос-типа для спекания при температуре 1450С (в течение 6 минут) и удлиненные зерна Р-типа для материала при спекании при 1600С в течение 12 минут. Бельмонтэ и др. [80] описывали сходный тип структуры для керамики на основе нитрида кремния, полученной искровым плазменным спеканием с добавлением 2 мас. % Al203 и 5 мас. % Y203. Были рассмотрены материалы спеченные при температурах 1500С, 1600С, 1650С, и 1675 С, и показано, что повышение температуры ведет к увеличению плотности спеченного материала. Так, в частности, материал, полученный спеканием при 1500С, имел плотность 3,08 г/см3 (95% от теоретической плотности), а материал, полученный при 1600С и 1650С, имел плотность 3,23 г/см3 (100% от теоретической плотности). Повышение температуры в рассматриваемом диапазоне способствовало росту зерна, с одной стороны, и повышению содержания -фракции нитрида кремния, с другой. Повышение температуры спекания от 1500С до 1600С сопровождалось ростом структурных составляющих от 190 нм до 300 нм и снижением содержания -фазы от 76 % до 41 %. В свою очередь, последующее повышением температуры до 1600С способствовало дальнейшему повышению размера зерна вплоть до 570 нм и уменьшению содержания -фракции до 6 %.
Ли и др. [81] описывали структуру нитрида кремния, полученного методом искрового плазменного спекания при температуре 1300 С и 1400 С со спекающими добавками Al203-MgO и MgO-AlPO4. Было установлено, что повышение содержания оксидных добавок Al203 с 2 мас % до 6 мас % приводит к повышению пористости и, как следствие, снижению прочностных характеристик.
Бэласи и др. [82] описывали получение методом искрового плазменного спекания при температурах 1500 С,1600С и 1700 С керамических материалов на основе нитрида кремния с добавлением углеродных нанотрубок и 4 мас. % Al203 и 6 мас. % Y203. Таблица 3.2 – Физические свойства полученных искровым плазменным спеканием материалов.
Известно, что и -SiAlON, так называемые твердые растворы замещения идентичные исходным и -Si3N4, Формирование сиалонов происходит посредством диффузионных процессов алюминия в кремнии и кислорода в азоте. На рис. 4 представлены рентгенограммы, описывающие фазовый состав нитрида кремния со спекающими добавками системы Al203 и Y203, полученного свободным спеканием при температуре 1650 С. Фазовый состав полученного конструкционного материала на основе нитрида кремния представлен в Таблице 3.3.
Анализируя данные, полученные методом РСА, следует отметить, что в качестве матрицы в исследуемом материале выступает -сиалон состава SisAlONy, на долю которого приходится примерно 72 %. Кроме того, на рентгенограмме присутствуют характеристические пики -Si3N4, данная фаза занимает 26%. Также в фазовом составе исследуемого материала присутствует совсем небольшое количество (2%) сиалона -типа состава Y2SiA105N.
Исследование механических свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-Y2O3, полученной методом свободного спекания в процессе механических испытаний на двуосное сжатие
В рамках данной главы представлены результаты исследований диэлектрических свойств керамического материала на основе нитрида кремния, полученного свободным спеканием. В частности, исследованы такие свойства, как тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость и их высокотемпературные зависимости, теплопроводность, КТР, теплоемкость и температуропроводность.
К изделиям радиотехнического назначения для авиационной отрасли предъявляются требования минимальной массы при обеспечении достаточной прочности и надежности. В связи с широким применением инфракрасных и радиолокационных систем управления такие изделия должны обладать комплексом радиотехнических свойств, т.е. радиоволны заданного спектра частот не должны претерпевать искажений и ослабления мощности электромагнитного потока. С этим непосредственно связаны и защитные функции изделия в целях обеспечения работоспособности аппаратуры в условиях действующих тепловых и аэродинамических нагрузок. Кроме того, ввиду продолжительных сроков использования изделий радиотехнического назначения, качество таких изделий характеризуется стабильностью прочностных и радиотехнических свойств от начала до конца эксплуатации, в связи с чем, обычно к данному классу материалов предъявляется ряд специфических требований. Функциональные свойства изделий радиотехнического назначения обуславливают противоречивые требования к конструкционным материалам. Например, применение материалов с большим коэффициентом теплопроводности, обеспечивающим снижение температурных напряжений в стенке такого изделия, приводит к росту температуры во внутреннем объеме, что может вывести из строя радиотехническую аппаратуру. Для достижения компромиссного решения устанавливают теплозащитные слои, которые ухудшают условия прохождения электромагнитных волн и требуют дополнительных усилий по согласованию диэлектрических характеристик составной конструкции.
В иерархии требований низкие показатели теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости, а также термостабильность являются ключевыми критериями для материала, предназначенного для эксплуатации в области авиационной промышленности [112].
Анализируя кривые ТГА (термогравиометрического анализа), показанные на рис. 5.1, можно отметить, что полученный материал отличается низким показателем потери массы 0,003 % (Таблица 5.1). Снижение массы керамического образца начинается с температуры 200 C и заканчивается при температуре 400 C.
Кривая ДТА (дифференциально-термического анализа) демонстрирует, что в исследуемом температурном диапазоне фазовых превращений не установлено. КТР (коэффициент термического расширения) исследуемого материала составил 3,1 (см. Таблица 5.1).
Хорошо известно, что применение керамических материалов в авиационной промышленности подразумевает сочетание высоких механических характеристик с превосходными диэлектрическими показателями вкупе с устойчивостью к тепловому удару. Наиболее значительным недостатком всех керамических материалов и нитрида кремния, в частности, является сравнительно высокая хрупкость и, таким образом, необходимость поиска способов повышения прочностных свойств. Армирование волокнами, с одной стороны, ожидаемо приведет к повышению прочностных свойств, но, между тем, будет сопровождаться анизотропией свойств, что является негативным фактором в исследуемом ключе.