[发明专利]一种透明β－氮化硅陶瓷及其制备方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及非氧化物陶瓷领域，具体涉及一种透明β-氮化硅陶瓷及其制备方法。

(二)背景技术：

透明陶瓷的一大重要应用是作为结构部件被用于透明装甲、战术和战略导弹、航空航天飞机、无人战车等现代高尖端技术装备中。这些装备通常在高温、野外、太空、战场等十分恶劣的环境中使用，这就要求所用的透明材料既具备透光性，同时又具有很好的力学性能、抗热冲击性及化学稳定性等综合性能，以提高其可靠性。但是，现今研发的透明结构陶瓷如Al₂O₃、MgAl₂O₄、AlON、α-Sialon等力学性能和抗热冲击性不够理想，难以满足日益提高的使用要求。

与其它透明结构陶瓷相比，β-氮化硅(β-Si₃N₄)陶瓷在力学性能上具有非常明显的优势，如：β-氮化硅陶瓷断裂韧性可达10-12MPa·m^1/2[C.Li，and J.Yamanis，Super-tough silicon nitride with R-curvebehavior，Ceram.Eng.Sci.Proc.10[7-8]632-645(1989)]，而目前报道的透明结构陶瓷材料断裂韧性都较低，一般都低于3MPa·m^1/2；β-氮化硅陶瓷的抗弯强度可达2GPa以上[N.Kondo，et al.Superplasticsinter-forging of silicon nitride with anisotropic microstructureformation，J.Am.Ceram.Soc.82[4]1067-1069(1999)]，远高于其它透明结构陶瓷材料(一般低于400MPa)。β-氮化硅陶瓷还具有高热导率的优点，其热导率可达155W·m^-1·K^-1[K.Watari，et al.Hotisostatic pressing to increase thermal conductivity of Si₃N₄ceramics，J.Mater.Res.14[4]1538-1541(1999).]。目前报道的透明结构陶瓷材料，如Al₂O₃、AlON，其热导率一般只有20 W·m^-1·K^-1左右。而热导率的提高又可以使β-氮化硅陶瓷在一定温差下能更快达到温度均匀分布的状态，从而大幅度提高β-氮化硅陶瓷抗热震性能。

β-氮化硅陶瓷优良的力学性能、高的热导率及良好的抗热冲击性能使其在承受外来破坏、高温冲击等方面具有其它透明结构陶瓷不可比拟的优势。研究表明，由于β-Si₃N₄晶体结构的因素，β-Si₃N₄晶粒在烧结过程中易发展为长棒状，这些长棒状β-Si₃N₄晶粒在陶瓷中能够起到类似纤维补强的桥联、裂纹偏转等增韧作用，是β-氮化硅陶瓷具备优良力学性能的重要原因。但是，长棒状β-Si₃N₄晶粒的存在使透明β-氮化硅陶瓷的制备非常困难。长棒状β-Si₃N₄晶粒容易使晶界相富集在三叉晶界或多晶粒的连接处。由于晶界相和晶粒本身的折射率相差很大，导致光线大量的折射和散射，从而使得透光性大大的降低，使具有长棒状β-Si₃N₄晶粒组成的透明β-氮化硅陶瓷的制备非常困难。到目前为止有关由单一β-Si₃N₄相组成的透明陶瓷的研究工作鲜有报道。

(三)发明内容：