摘要
氮化硅（Si3N4）陶瓷具有优异的机械性能、导热性能、耐腐蚀、耐磨损以及良好的生物相容性，是应用于手机背板和智能穿戴设备的重要候选材料。然而，随着人们对电子装饰材料美观性要求的提高，氮化硅陶瓷过于单一的颜色限制了它的使用和推广。此外，氮化硅陶瓷的固有脆性也阻碍了它的应用。添加一定量的稀土氧化物，不仅可以作为着色剂使氮化硅陶瓷呈现丰富多彩的颜色，还可以促进长柱状B-Si3N4晶粒的生长，提高陶瓷的韧性。 本文以高纯α-Si3N4粉体为原料，选择MgO-Er2O3和MgO-Y2O3-CeO2两种复合烧结助剂体系制备了氮化硅陶瓷。研究了稀土氧化物着色剂含量和烧结温度对氮化硅陶瓷微观形貌的调控作用，分析了力学性能和着色性能随着色剂含量和烧结温度的变化规律，讨论了氮化硅陶瓷的着色机理。此外，以干压成型制备氮化硅陶瓷具有较高的加工成本和原料成本。为了探索彩色氮化硅陶瓷的低成本制备方法，本文还以高纯Si粉为原料粉体，采用流延成型工艺，通过优化流延浆料配方和脱粘工艺，为低成本高性能的彩色氮化硅陶瓷的制备提供基础。本文主要开展以下三方面的工作: （1）采用MgO-Er2O3二元复合烧结助剂，通过干压成型-气压烧结法，制备出相对密度97.85％的粉橙色氮化硅陶瓷。其抗弯强度和断裂韧性分别为970±27MPa和10.77±0.08MPa·m1/2。研究结果显示随着Er2O3含量增加，氮化硅陶瓷的密度和力学性能均有所提高。Er2O3含量增加形成了充足的液相消除了显微结构中的残余孔隙，同时促进高长径比的β-Si3N4晶粒的生成，通过裂纹偏转和桥接机制提高了断裂韧性。随着烧结温度升高，显微结构中孔隙数目减少，组织均匀度提高，力学性能提高，但是温度过高时，显微结构中气孔增多，晶粒明显粗化，力学性能降低。随着Er2O3含量增加，陶瓷的色度值a*和b*均增大，亮度值L*降低，陶瓷的颜色加深。晶界相中Er3+的核外电子吸收蓝紫光、青光和部分红光发生f-f跃迁，并产生红色可见光发射，是氮化硅陶瓷着色的原因。不同烧结温度下，大多数样品之间存在明显的色差（△E），其中，1780℃烧结后陶瓷呈现灰色;1800℃烧结后样品的L*和b*最高，陶瓷呈粉橙色;1850℃烧结后a*最高，陶瓷呈粉色。 （2）采用MgO-Y2O3-CeO2三元复合烧结助剂，通过干压成型-气压烧结法，制备了相对密度为98.22％的黄绿色氮化硅陶瓷。其抗弯强度和断裂韧性分别为799±88MPa和11.6±0.32MPa·m1/2。研究表明添加少量的CeO2能够促进β-Si3N4晶粒生长，但是易于形成大尺寸的孔隙，反而降低陶瓷致密性。添加较高含量的CeO2能够减少显微结构中的孔隙数目，同时使晶粒细化，长径比升高，通过更加频繁的裂纹偏转和桥接使陶瓷韧性提升。随着烧结温度升高，晶粒粗化，韧性迅速下降。随着CeO2含量增加，烧结体的色度值a*减小，b*增大，亮度值L*降低，陶瓷的颜色加深。XPS显示Ce4+在烧结过程中被还原为Ce3+，而位于晶界相中Ce3+的核外电子吸收紫外光和蓝紫光发生5d-4f跃迁，并产生黄绿色波段可见光的发射，使氮化硅陶瓷呈现黄绿色。不同烧结温度的样品都呈现黄绿色的颜色特征且具有较明显的色差(△E)。此外，随烧结温度升高，陶瓷体的亮度逐渐下降。 (3)以Si粉为原料粉，MgO-Er2O3为烧结助剂，通过流延成型-反应重烧结法制备了相对密度为96.08％的粉色氮化硅陶瓷。其抗弯强度和断裂韧性分别为867±18MPa和8.03±0.50MPa·m1/2。结合浆料的流变特性和流延膜的基本性能数据，确定了分散剂含量为1wt.％，粘结剂含量为7.75wt.％,增塑剂/粘结剂比值为0.4,固含量为39vol.％的流延浆料配方，干燥后流延膜光滑平整无裂纹，相对密度为64％。通过TG-DSC测试优化了脱粘工艺，经过叠层、脱粘后制备出无变形开裂的高性能氮化硅素坯。烧结后的氮化硅陶瓷在自然光下呈浅粉色，经过分光光度计测试，亮度L*为81.26,a*和b*分别为5.87和6.99。
NETL