低温烧结制备的多孔氮化硅陶瓷的介电常数和力学性能.doc

低温烧结制备低介电常数和高力学性能的多孔氮化硅陶瓷低温烧结制备低介电常数和高力学性能的多孔氮化硅陶瓷夏永封，曾玉萍，江东亮上海硅酸盐研究所，中科院，1295年定西道，上海邮编200050中科院研究生院，北京100039，中华人民共和国摘要：通过凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃使用传统的陶瓷工艺在空气中制备了多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷。多孔Si3N4陶瓷烧结至10001200显示了相对较高的抗弯强度和良好的介质性能。研究了烧结温度和添加剂含量对多孔氮化硅陶瓷抗弯强度和介电性能的影响。多孔氮化硅陶瓷的30-55的孔隙率，40-130兆帕的抗折强度，以及3.5-4.6的低介电常数被获得。关键词：多孔氮化硅陶瓷;介电常数;凯特布兰;低温烧结1导言天线罩材料的恶劣的工作条件要求一系列关键特性，如低介电常数，高机械强度，优良的抗热震性和雨蚀性1。如今，由于其优良的介电性能（介电常数恒定3.5），氮化硅陶瓷主要用于材料的天线罩和天线窗2。然而，它们的极低的强度（通常不超过80MPa）3和较低的抗雨蚀性是不足以用于高速车辆。氮化硅（Si3N4陶瓷）陶瓷有许多优良性能，如高温强度，良好的氧化电阻，热化学耐腐蚀，耐热冲击性，热膨胀系数低及良好介电性能4-6。在室温下，- Si3N4和- Si3N4的介电常数（）分别是5.6和7.9。然而，氮化硅的介电常数仍然有很高的实际应用。孔设计，一般认为是一种降低材料介电常数的有效途径，但毛孔也可以恶化陶瓷材料的力学性能。因此，重要的是保持介电性能和力学性能均衡，以满足实际应用。多孔氮化硅陶瓷可以不同的方式制备，如增加易变物质7，冷冻干燥8，碳热氮化9，燃烧合成10，原位反应键1等。作为一个共价固体，氮化硅无助烧结剂很难致密。通常情况下，金属氧化物（Y2O3+Al2O311，Er2O312，Yb2O313）添加剂都必须通过液相烧结才能获得致密氮化硅陶瓷。然而，烧结温度仍然很高。为了在低温获得Si3N4陶瓷，低温液体阶段，如SiP2O714，氧化镁-Al2O3-SiO2系统15，二氧化硅16，凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）17等，都被使用。在这项工作中，凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃被用作烧结添加剂来制备多孔氮化硅陶瓷。并且烧结行为和添加剂对孔隙度，抗弯强度和介电常数的标本进行了研究。2实验步骤- Si3N4（SN-E10中，纯度99.5，a所占比率95，平均粒径0.5微米;日本东京宇部兴产株式会社），磷酸（纯度85wt%;中国上海灵峰公司）和硼酸（纯度99.5wt%;中国上海中医药化学钙试剂有限公司SCRC），超细二氧化硅（30纳米，中国南平加连化工有限公司）被用作原料。为制备凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃，磷酸、硼酸和SiO2以质量比为1.77:1.38:4在500加热焙烧和以2/min的冷却速度保温2小时。对于多孔氮化硅陶瓷的制备，将氮化硅、磷酸和硼酸混合物在水中用球磨24小时;二氧化硅在烧结过程中是氮化硅的氧化剂。经过干燥和通过100目（154微米）的筛选，粉末被压成尺寸为4.5mm10.0mm50.0mm的长方形条，长条在恒压200Mpa的压力下冷却。这些长条首先在空气中以2/min的升温速率加热到500，保温2小时，以防止由于磷酸和硼酸的挥发所造成孔扩张，然后以5/min的升温和冷却速度在1000-1200进行烧结，并且在空气气氛中保温2小时。在空气中使用STA-429差热分析仪（内茨，德国）以的速度进行差热分析（DTA）和热重分析（TG）。标本加工成3.0mm4.0mm36.0mm矩形条通过三点弯曲试验（Model AUTOGRAPH AG-I，日本岛津）来衡量抗弯强度，使用了30mm的远程支持和0.5mm/min速度的跨杆头。开放孔隙率和体积密度是用阿基米德原理以蒸馏水作为介质测量的。同相分析是通过计算机控制进行了X-射线衍射（XRD）（型号RAX-10，x射线衍射仪，日本）与Cu K辐射（波长为1.5418）。应用扫描电子显微镜（SEM）（Model JXA-8100，JEOL，日本东京）多孔氮化硅陶瓷的形态观察。在室温下用射频阻抗材料分析仪（型号4291B，Agilent，USA）在频率范围为100MHz到1GHz内测量20.0 mm 1.1 mm的样本复杂的介电常数。3结果和讨论3.1 凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的表征磷酸可以在100下与硼酸反应，反应如下14：H3PO4+H3BO3BPO4+3H2O（1）BPO4的晶体结构包含BPO4和PO4 四面体。然而，BPO4是一种两个具有水溶性和低熔点氧化物的共聚物。BPO4是一种具有良好的介电性（e4）17的化学惰性玻璃。因此，在制备氮化硅时要适当的使用BPO4作为助烧结剂。而且, BPO4的添加可以显著提高Si3N4的强度18。图1. 热重法（ TG ） ，差热分析（ DTA ）曲线凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）的质量比H3BO3/H3PO4/SiO2 = 1.77:1.38:4 图1显示了凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的X射线衍射图谱。这个图谱能够以两个阶段被索引：BPO4和B2O3。B2O3来自过度硼酸，这也是有利于降低烧结温度。图2. 热重法（ TG ） 、差热分析（ DTA ）曲线凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）的质量比H3BO3/H3PO4/SiO2 = 1.77:1.38:4Fig.2显示了磷酸，硼酸和SiO2混合物的TG/DTA曲线。曲线可分为两个部分。从70到180，观察到一个急剧的吸热峰和重量损失约20wt，相应的形成BPO4和蒸发H2O。180以上，在TG曲线中没有观察到明显的重量损失，DTA曲线显示了由于BPO4结晶而形成的广泛高峰，这也是R.Hsu 报告中提到的19。3.2多孔氮化硅陶瓷的相和微观结构分析图3.氮化硅粉末核原料（H3BO3 +H3PO4)在1150烧结2h制成Si3N4陶瓷的X射线衍射图图3显示了氮化硅粉末原材料模型和多孔氮化硅陶瓷的X射线衍射图谱。和原材料氮化硅粉末模型比较，BPO4和石英（SiO2）的弱峰在烧结后的氮化硅陶瓷中发现。相对含量低的BPO4表明，凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃是非晶体，并且少量的石英（SiO2）是有部分氮化硅在空气中氧化 20。图4添加不同添加剂时烧结温度和空隙度之间的关系图4表明，氮化硅陶瓷烧结温度和孔隙度之间的关系。添加剂含量对多空氮化硅陶瓷的孔隙度有很大影响。当烧结温度低于1000时，该凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃在烧结过程中有利于氮化硅的致密化。氮化硅孔隙率随着凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的添加而降低。当烧结温度高于1100，样本添加更多的凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃因凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的蒸发而具有较高的孔隙度。另一方面，随着烧结温度的升高，孔隙度先降低然后升高。例如，添加10添加剂的标本从950到1050进行烧结的孔隙度是46-32，但是，当烧结温度是增加到1200，孔隙率是43。这一现象相当符合玻璃性能。这是有利于烧结过程的在低温进行而不至于高温度导致玻璃挥发。图5显示了氮化硅陶瓷的扫描电镜图像。SEM照片表明，玻璃和烧结温度对多孔Si3N4陶瓷的微观结构有很大影响。氮化硅烧结处理是非常复杂的，它是有关玻璃蒸发，Si3N4氧化图5 添加不同添加剂在不同烧结温度Si3N4陶瓷的微观结构和氧化源性二氧化硅与添加剂的反应。然而，不同的烧结温度和不同的内容的添加剂将导致不同的微观结构。3.3多孔氮化硅陶瓷的机械性能和介电性能一般来说，多孔陶瓷的抗折强度主要是依赖于孔隙度。多孔陶瓷的强度（）表现为以下方程21,22：0exp（-P）0是孔隙率为0的强度，是结构因子和P是孔隙率。图6表明了烧结的多孔氮化硅陶瓷的抗折强度。抗弯强度范围是30-130Mpa。当烧结温度是1150和添加剂为3wt时有最大弯曲强度130Mpa。更多的添加剂将导致抗弯强度的提高和氮化硅烧结温度的降低低。然而，较多的添加剂将导致在较高的温度下由于凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的蒸发使抗弯强度降低。抗弯强度先增加，然后下降，这符合图4的结果。图6（b）显示的，孔隙度占主导地位的氮化硅图6 多孔氮化硅陶瓷在不同添加剂、烧结温度和孔隙度时的抗弯强度的机械强度不如预期。（2）与此同时，抗弯强度是受Si3N4对石英（SiO2）氧化的影响。在氮化硅中形成氧化石英对标本的强度是有害的，如果石英含量大于12的标本将会产生裂缝23。根据混合规则，两相复合的介电常数计算如下24：V11+V22（3）其中是复合相的介电常数，V1和V2分别是第一阶段和第二阶段的体积分数; 1和2是两阶段的介电常数。介电常数随孔隙度的改变可以认为是使用第2阶段近似无孔隙（=1）。均等式（3）降低到0-P（0-1）（4）0是第一阶段的介电常数，孔隙率为P25。由等式（4）.可见，多孔陶瓷的介电常数随孔隙度增加不断下降。图7显示了标本的介电常数（）和频率的关系。多孔氮化硅陶瓷的介电常数受到孔隙度、氮化硅、以及由凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃和石英组成的第二阶段。图7（a）和（b）表明，标本的添加剂为3时，由于孔隙率的影响效果比氧化源性石英更显著，使得在较高的烧结温度下有较高的介电常数。.从等式（3）可以看出，当孔隙度（1）在同一程度上的增加将使复合后的介电常数下降更多。当标本添加3，10，20的添加剂时的介电常数，也显示在图7（b）-（d）。增加频率时介电常数不会有很大的变异。对于添加20的添加剂，即曲线图7-（d），随着孔隙度和凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃的增加导致介质常数减少。然而由于曲线图7-（c）孔隙度低，虽然它包含更多的凯特布兰（SiO2-B2O3-P2O5）玻璃，但它的介电常数高于曲线图7-（a）。因此，空隙率是影响多孔陶瓷的主导因素。图7 在不同添加剂和烧结温度下的介电常数（一）1000，3wt；（二）1100，3wt；（三）1100，10wt；（四）1100，20wt4结论多孔氮化硅陶瓷的制备是在常压了低温下，以H3BO4和H3PO4作为烧结添加剂。通过改变烧结添加剂的种类和烧结温度，得到的抗弯强度在30-130Mpa、隙率在30-55和介电常数在3.5-4.6变化的多孔氮化硅陶瓷。参考资料：1 S.Q. 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