背景介紹

導彈天線罩作為導彈制導系統(tǒng)重要組成部件，必須同時滿足透波、承載、防熱、抗沖擊等多種功能要求。多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷中特殊的棒狀晶組織結構，使其材料性能具有低密度、高強度、耐高溫、低介電常數(shù)等優(yōu)點，經(jīng)封孔涂層處理后制備的導彈天線罩，成為新型導彈配套天線罩的重要候選材料。國內(nèi)多家科研單位針對多孔氮化硅陶瓷透波材料的制備和性能研究開展了研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，在α-Si3N4粉原料中加入纖維狀α-Si3N4粉制備多孔氮化硅陶瓷材料，有利于減小燒結收縮率和提高樣品氣孔率。

近日，上海玻璃鋼研究院有限公司的高級工程師趙中堅沿著該思路，以純纖維狀α-Si3N4粉為主要原料，通過添加一定比例氧化物燒結助劑，經(jīng)冷等靜壓成型和氣氛保護無壓燒結工藝燒結制備出了能充分滿足高性能導彈天線罩使用要求的多孔氮化硅陶瓷。

圖文導讀

圖1為制備原料纖維狀氮化硅粉的形貌圖。從圖中可見，氮化硅粉微觀形貌呈細長的纖維狀，長約5 μm-8 μm，寬約0.5 μm，并存在少量長約10 μm，寬約3 μm的粗大顆粒。其化學組成見表1。

圖1 纖維狀Si3N4粉原料SEM照片

表1 氮化硅粉化學組成

01

氧化釔粉顆粒度對材料性能影響

氮化硅作為一種強共價鍵化合物難以實現(xiàn)燒結，但是可通過加入氧化物燒結助劑促進燒結。圖2為氮化硅材料強度隨氧化釔粒徑（5.80 μm， 3.15 μm， 1.78 μm， 0.97 μm， 0.65 μm）的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著氧化釔粉的D50由5.80 μm減小至0.65 μm，多孔氮化硅材料強度由65.8 MPa增至123.2 MPa，而且隨著氧化釔粒徑變小，材料強度增加的速度有加快的趨勢。

圖2 Y2O3粉粒徑對氮化硅陶瓷材料強度的影響

圖3為添加不同粒徑氧化釔粉制備的多孔氮化硅陶瓷材料的SEM照片，可以看出，隨著氧化釔粉粒徑由粗變細，燒結后的氮化硅陶瓷微觀組織形貌由粗短的棒狀晶逐漸變?yōu)榧氶L的棒狀晶。隨著其顆粒度變小，β-Si3N4棒狀晶的長徑比增加，高長徑比能使互相連接的長顆粒能較好地抵抗裂紋的擴展，導致燒結材料強度增加。

圖3 不同粒徑Y2O3制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a） 5.80 μm；（b） 3.15 μm；（c） 1.78 μm；（d） 0.97 μm；（e） 0.65 μm

02

氮化硅顆粒度對材料性能的影響

只有嚴格控制原料粒徑大小，才能在燒結過程中制備出粒徑分布均勻，長徑比高的棒狀β-Si3N4。表2列出了采用不同顆粒度氮化硅原料所制多孔氮化硅陶瓷的彎曲強度和密度、氣孔率。結合表2和圖4可知，隨著顆粒度由0.37 μm增至0.85 μm，材料密度由1.83

g/cm3降至1.48 g/cm3，氣孔率由42.7%增至53.2%，材料彎曲強度呈先增加后降低的趨勢。

表2 不同顆粒度氮化硅粉制備多孔氮化硅陶瓷對比試驗

圖4 料漿顆粒度對多孔氮化硅陶瓷材料性能影響

圖5為四種不同顆粒度料漿制備的多孔氮化硅陶瓷SEM照片，可以看出，1#樣品呈粗短棒狀晶相互搭接狀，棒狀晶長徑比約為3-5之間，2#、3#、4#樣品微觀形貌呈細長棒狀晶交織狀，棒狀晶長徑比明顯增加，約為10-15之間。

圖5 不同顆粒度料漿制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

03

煅燒溫度對多孔氮化硅陶瓷性能的影響

在不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷樣品，并測試其彎曲強度、密度、氣孔率，測試結果見表3，從數(shù)據(jù)可見，隨著煅燒溫度的升高，材料彎曲強度有明顯提高，從78.7 MPa提高至164.4 MPa，而材料密度和氣孔率沒有顯著變化，四個樣品的密度分布在1.74 g/cm3-1.80 g/cm3較窄的范圍內(nèi)波動。

表3 不同煅燒溫度對氮化硅陶瓷性能影響

圖6為不同煅燒溫度制備的多孔氮化硅陶瓷XRD圖譜。從圖6可見，1710 ℃燒結樣品中含有少量α-Si3N4相，當煅燒溫度大于1730 ℃時，樣品中α-Si3N4完全轉變?yōu)棣?Si3N4相，并含有極少量的Y2Si2O7相。

圖6 不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷XRD圖譜

圖7為不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片。從圖中可以看出，四個樣品的微觀組織形貌有明顯的差異。煅燒溫度對β-Si3N4晶體的生長形態(tài)有顯著的影響，煅燒溫度大于1750 ℃時，β-Si3N4晶體主要呈棒狀發(fā)育，有利于制備低密度、高強度多孔氮化硅陶瓷。

圖7 不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a） 5#；（b） 6#；（c） 7#；（d） 8#

04

多孔氮化硅陶瓷介電性能

材料介電性能是決定其能否滿足導彈天線罩性能要求的關鍵性能參數(shù)，測試結果見表4。從表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著多孔氮化硅陶瓷材料密度增加，其氣孔率顯著降低，介電常數(shù)基本呈線性增加。彎曲強度主要受其微觀組織結構的影響，通過控制制備工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)材料微觀組織結構，提高β-Si3N4棒狀晶長徑比，可實現(xiàn)低密度、低介電、高強度多孔氮化硅陶瓷的制備，滿足高性能導彈天線罩使用要求。

表4 多孔氮化硅陶瓷介電性能測試數(shù)據(jù)

結論

（1） 燒結助劑Y2O3的顆粒度大小對多孔氮化硅陶瓷燒結性能有明顯影響，試驗結果顯示，隨著氧化釔粉平均顆粒度D50由5.80 μm減小至0.65 μm，多孔氮化硅材料強度由65.8 MPa增至123.2 MPa。

（2） 對于纖維狀氮化硅原料，隨著顆粒度由0.37 μm增至0.85 μm，材料密度由1.83g/cm3降至1.48g/cm3，氣孔率由42.7%增至53.2%，材料彎曲強度呈先增加后降低的趨勢。

（3） β-Si3N4棒狀晶長徑比是影響多孔氮化硅陶瓷力學性能和介電性能的重要因素，通過控制制備工藝提高β-Si3N4棒狀晶長徑比，制備了彎曲強度為154.53 MPa、密度為1.54 g/cm3、氣孔率為52.0%、介電常數(shù)為3.28的多孔氮化硅陶瓷，可滿足高性能導彈天線罩使用要求，并可根據(jù)使用要求實現(xiàn)對材料性能的可調(diào)控設計。

審核編輯 ：李倩