2.2 实验结果与分析
2.2.1烧结温度对氮化硅陶瓷相结构的影响
图2为不同烧结温度下氮化硅陶瓷烧结后的XRD衍射图。不同的是A的烧结温度为1650℃，B的烧结温度为1750℃。对A进行α-Si3N4衍射峰检测，XRD衍射后显示，α-Si3N4在1650℃并没有完全的转变为β-Si3N4。当提高烧结温度至1750℃时，α相从衍射图中消失，如图3中的B，即在1750℃的烧结温度下，α-Si3N4可以完全的转变为β-Si3N4。
图2 不同烧结温度下样品的XRD衍射图
2.2.2原始粉末粒度对氮化硅陶瓷性能的影响 表2为氮化硅陶瓷烧结前粉末的初始粒度表。
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表2 氮化硅陶瓷烧结前粉末的初始粒度 样品 1 2 3 Si3N4 相 非晶态 α相(99%) α相(95%) 晶粒尺寸 400 nm 5 μm 60-80 nm 图3为初始粉末粒径不同的三种样品的XRD衍射图。从图中可以看出在经过1750℃，保温2h烧结后，样品1、2、3的相组成基本相同，主要是β-Si3N4。
(a) 无晶态 400nm ；(b) α相 5μm ；(c) α相 60-80nm
图3 样品1-3在1750℃下烧结的XRD衍射图
表3为样品1、2、3的相对密度和抗弯强度的数据表。数据表明，2号样品的综合性能最好，其相对密度为95.5%，抗弯强度为518.4 MPa。在常压烧结中，初始粉末的晶粒尺寸越小，氮化硅烧结越容易得到较高的性能参数。但超细的氮
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化硅颗粒容易凝聚成大尺寸颗粒，在烧结时，这些大尺寸颗粒极其容易造成试样内部出现微孔和微裂纹，进而影响样品性能。所以对于氮化硅而言，5μm的晶粒尺寸比较适合于烧结。
表3 氮化硅初始粒度对材料性能的影响 样品 1 2 3
相对密度（%） 95.7 95.5 95.0 抗弯强度（MPa） 436.8 518.4 280.1 2.2.3烧结助剂对氮化硅陶瓷性能的影响
表4为氮化硅陶瓷添加的烧结助剂的不同配比表，图4为添加了不同配比的烧结助剂的六种样品的XRD衍射图。
表4 氮化硅陶瓷烧结助剂的不同配比表（wt%） 样品 a b c d e f Si3N4 95 95 90 92 95 90 MgO 5 0 5 3 0 0 Y2O3 0 0 5 0 5 5 Al2O3 0 5 0 1.5 0 5 SiO2 0 0 0 3.5 0 0 18
(a) 5wt% MgO ；(b) 5wt%Al2O3 ；(c) 5wt%MgO+5wt%Y2O3 ； (d) 1.5wt%Al2O3+3wt%MgO+3.5wt%SiO2 ；(e) 5wt%Y2O3 ；
(f) 5wt%Y2O3+5wt%Al2O3
图4 样品a-f在1750℃下烧结的XRD衍射图
对图4进行分析后发现，配比a、b、d均无低共融的物质出现，其对氮化硅陶瓷烧结起不到促进作用。氮化硅属于共价键结构，扩散迁移率很低，因此纯氮化硅是很难烧结的，需要加入烧结助剂后，形成低熔点的硅酸盐液相，促进烧结的致密化过程的进行。
表5 不同烧结助剂对材料性能的影响 样品 相对密度（%） 抗弯强度（MPa） 359.3 397.4 539.5 340.6 147.0 290.8 维氏硬度（GPa） 断裂韧性 （MPa·m0.5） a b c d e f 94.3 96.2 97.6 95.9 88.8 97.2 12.7 15.4 15.8 14.3 13.0 15.5 7.87 9.42 9.65 7.50 8.34 9.50 表5为试样a-f力学性能的数据表。在所有的烧结试样中，样品c，即
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90wt%Si3N4-5wt% MgO-5wt% Y2O3的成分配比可以达到最高的抗弯强度514.9 MPa，同时对应着最高的相对密度97.6%、最高的维氏硬度15.8 GPa以及最高断裂韧性9.65 MPa.m?。MgO作为烧结助剂，对于氮化硅的烧结而言，起到了促进液相烧结的作用。Y2O3对于烧结进程而言，起到的作用主要是促进β-Si3N4晶粒的生长，使得内部晶粒有更高的平均长径比的同时，还降低了试样内每单位体积晶粒的数量。这样的晶粒互相桥联的优良的力学机制，就保证了强度等力学性能的提升。MgO和Y2O3的烧结助剂组合，对氮化硅陶瓷烧结而言是有效且合理的。
对烧结后的氮化硅陶瓷进行表面扫描后发现了柱状的β-Si3N4晶粒，如图5。对其进行能谱分析，如图6所示，柱状晶体只含有氮和硅两种元素，即该柱状晶体为单纯的氮化硅晶体。这就可以说明，长条状的β相氮化硅晶体一般都是在氮化硅晶体烧结过程中生长的，这是因为β相氮化硅晶体的生长机制为各向异性，且是以棱镜面的对称形式生长的。柱状晶体随机交叉在一起,像缠结的纤维一样,这样的生长形式对于机械性能而言是有利的。
图5 90wt%Si3N4-5wt% MgO-5wt% Y2O3的氮化硅陶瓷试样的SEM图
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