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低温致密化氮化硅陶瓷的方法与性能研究

摘要

低温致密化是突破氮化硅陶瓷工程应用瓶颈的关键化技术，针对企业1200℃烧结

致密氮化硅陶瓷的研发需求，开展玻璃粉烧结助剂对氮化硅陶瓷低温烧结致密化行为影

响的研究。选用三类玻璃粉作为烧结助剂，解析烧结温度、保温时间、烧结助剂含量、

烧结助剂配比等参数对氮化硅陶瓷低温致密化行为的影响，测试低温烧结氮化硅陶瓷的

性能，确定氮化硅陶瓷低温致密化的烧结助剂及工艺。本文主要研究内容及结果如下：

（1）研究商用玻璃粉烧结助剂对氮化硅陶瓷低温致密化的影响。通过对商用玻璃

粉含量的调节，分析助剂含量对氮化硅陶瓷低温致密化的影响。当添加25wt.%的商用

玻璃粉助剂，在1200℃下烧结的氮化硅陶瓷致密度为90.92%；当添加30wt.%的商用玻

璃粉助剂，在1200℃下烧结的氮化硅陶瓷表现的综合性能最佳，其致密度为91.54%，

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硬度为11.76GPa，断裂韧性为5.12MPa·m，确定商用玻璃粉最佳添加含量为30wt.%。

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（）研究玻璃粉烧结助剂对氮化硅陶瓷低温致密化的影响。玻璃粉烧

结助剂的最佳BaO/AlO/SiO/LiO配比通过探索实验得出。通过对BASL玻璃粉含量的

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调节，确定BASL玻璃粉烧结助剂最佳添加含量为25wt.%，此时在1300℃下烧结的氮

化硅陶瓷致密度为89.94%，硬度为9.11GPa，断裂韧性为5.46MPa·m1/2。

（3）研究锂基玻璃粉烧结助剂对氮化硅陶瓷低温致密化的影响。通过对助剂

SiO/LiO配比、助剂含量的等因素调节，确定锂基玻璃粉烧结助剂最佳SiO/LiO配比为

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1.7:1.0、最佳添加含量为25wt.%：此时在1200℃下烧结的氮化硅陶瓷致密度达95.78%、

硬度达12.39GPa；在1300℃下烧结的氮化硅陶瓷表现的综合性能最佳，其致密度可达

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97.40%，硬度可达13.13GPa，断裂韧性可达6.24MPa·m。通过添加锂基玻璃粉实现

了氮化硅陶瓷在1200℃的致密化烧结。

（4）研究玻璃粉助剂对氮化硅陶瓷摩擦磨损性能的影响。分析三种助剂体系下致

密度最高的陶瓷试样TS30（商用玻璃粉）、BA25（BASL玻璃粉）、Li25（锂基玻璃粉）

的摩擦磨损性能表现。TS30在10N/6Hz的摩擦条件下，表现出了较为优异摩擦磨损性

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能，磨损率低至16.66×10mm·N·m；BA25在5N/6Hz的摩擦条件下，表现出了较

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为优异摩擦磨损性能，磨损率低至1.07×10mm·N·m；Li25在5N/6Hz的摩擦条件

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下，表现出了较为优异摩擦磨损性能，磨损率低至1.78×10mm·N·m。

关键词：氮化硅陶瓷；低温致密化；玻璃粉烧结助剂；断裂韧性；摩擦磨损

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

Abstract

Lowtemperaturedensificationisakeytechnologytobreakthroughthebottleneckof

siliconnitrideceramicengineeringapplication.Inrespo