摘 要

六方氮化硼（hexagonal boron nitride，h-BN）作为结构陶瓷，其类石墨的层状结构使得其硬度低（莫氏硬度为2），动摩擦系数小（0.03至0.07），可加工性能与介电性能优良。同为结构陶瓷，氮化硅陶瓷材料具有良好的耐磨、耐腐蚀以及优秀的介电性能，广泛应用于化工、航天航空、机械等领域。

本文选择以六方氮化硼（h-BN）为基体材料，氮化硅（α-Si₃N₄）为外加剂,采用放电等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering，SPS）技术，在外加压力为80 MPa，烧结温度为1700 ℃，升温速率为200 ℃/Min,保温时间为5分钟的工艺条件下，成功制备出了致密度达到95%，兼具可加工性能和力学性能的绝缘陶瓷。我们通过研究，得出了陶瓷介电性能随着氮化硅组分的增加而增强的结论。

关键词：氮化硼；氮化硅；放电等离子烧结；介电性能

Abstract

As a kind of structural ceramics,hexagonal boron nitride（h-BN）performs well on its low friction coefficient (0.03-0.07) and low hardness(Moh’s hardness is 2),while its machinable property and dielectric property perform well. Silicon nitride ceramics possessing good abrasive resistance, corrosion resistance and dielectic property as structural ceramics materials, which has contributed to chemical and materials field.

In this paper, we has producing composite ceramics with high density and good mechanical property, using SPS to combine hexagonal boron nitride and silicon nitride together, with applied pressure at 80 MPa, sintering temperature at 1700 ℃，heating rate at 200℃/Min，soaking time at 5 Min.We find that the dielectric property raises with the rate of silicon nitride rising.

Key words：hexagonal boron nitride；silicon nitride；SPS

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氮化硼陶瓷材料 1

1.2.1 氮化硼的晶体结构 1

1.2.2 氮化硼的性质及其性能 2

1.2.3 氮化硼陶瓷的应用 3

1.3 氮化硅陶瓷材料 3

1.3.1 氮化硅的晶体结构 4

1.3.2 氮化硅的性质及其性能 4

1.4 氮化硼基(h-BN)陶瓷材料烧结工艺研究进展 5

1.4.1氮化硼陶瓷的冷压烧结 5

1.4.2氮化硼陶瓷的热压烧结 5

1.4.3 氮化硼陶瓷的自蔓延高温合成技术（SHS/QP） 6

1.5 放电等离子烧结技术 6

1.5.1 放电等离子烧结技术的基本原理 7

1.5.2 放电等离子烧结的应用 8

1.6 本课题的研究目的、思路以及内容 8

1.6.1 本课题的研究目的和意义 8

1.6.2 本课题的主要研究内容 8

第二章 氮化硼陶瓷的制备和研究方法 9

2.1 氮化硼陶瓷的制备 9

2.1.1 实验原料 9

2.1.2 烧结磨具的设计 9

2.1.3 SPS烧结设备 10

2.1.4 SPS制备氮化硼绝缘陶瓷 10

2.2结构表征与性能测试 11

2.2.1 密度测试 12

2.2.2 物相分析 12

2.2.3 材料显微结构分析 12

2.2.4 材料介电性能测试 12

2.2.5 材料力学性能测试 13

第三章 可加工BN绝缘陶瓷烧结工艺的研究 14

3.1 烧结试样的物相分析 14

3.2 氮化硼烧结机理分析 15

3.2.1 烧结温度对烧结体结构的影响 15

3.2.2 烧结压力对烧结体结构的影响 16

3.2.3 烧结体最佳工艺研究 18

3.3 BN/Si₃N₄陶瓷烧结工艺研究 18

3.3.1 烧结温度对陶瓷的作用 20

3.3.2 α-Si₃N₄含量对陶瓷的作用 23

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1 引言

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷是综合性能最好的结构陶瓷材料之一，不仅具有优异的力学性能和热稳定性，而且具有良好的介电性能。氮化硼(BN)陶瓷相较于氮化硅(Si₃N₄)陶瓷更好的热稳定性和良好的介电性能、较低的介电损耗，以及优良的力学性能以及物理性能，例如，低密度、熔点高以及很强的可加工性能，而且在很宽的范围内具有极好的热性能和电性能的稳定性。

但是，氮化硼本身所具有的共价键、晶界之间滑移的困难以及比较弱的固态表面张力，使得氮化硼难于烧结,并且由于六方氮化硼本身的类石墨结构，虽然其电学性能优良，但使得六方氮化硼陶瓷本身解理性可加工性能强，这就使得其本身单独作为陶瓷材料来用效果不佳（脆性强）。^[1]同时，氮化硅陶瓷本身良好的力学性能让很多研究者想到能否将二者复合来得到力学性能和抗弯强度均优良的复合陶瓷。

研究表明，大部分材料研究科学家在研究过程中都会以氮化硅作为烧结基体，其原因是氮化硼相较于氮化硅更难以烧密，^[2][3][4]本课题本着探索性试验的初衷，在此提出以氮化硼作为基体，在等离子烧结的高温高压下进行烧结的烧结方式，以获得氮化硼为主体的绝缘复合陶瓷片。

1.2 氮化硼陶瓷材料

根据晶体结构，氮化硼陶瓷可以被分为以下四种类型：六方氮化硼（h-BN）、菱方氮化硼（r-BN）、纤锌矿结构氮化硼（w-BN）以及立方氮化硼（c-BN）。六方氮化硼在高压下可以转变为立方氮化硼。

1.2.1 氮化硼的晶体结构

本实验采用六方氮化硼（h-BN）作为原料。六方氮化硼的晶体结构如图1.1所示。^[5]六方氮化硼具有类似石墨的层状结构，在h-BN 晶体结构中，理想的情况是每一层由B、N 原子相间组成六角环形网络。层内硼氮原子间距为0.142 nm，以共价键结合，强度很高，弹性模量E 为910 Gpa，而层间原子间距为0.335nm，以较弱的范德华力结合，强度较弱，弹性模量只有30 Gpa，所以容易滑移或剥落。

图1.1氮化硼的晶体结构