高致密性、高强度的氮化硅陶瓷烧结工艺介绍

氮化硅（Si3N4）陶瓷作为先进结构陶瓷，具有耐高温、高强度、高韧性、高硬度、抗蠕变、耐氧化以及耐磨损等优异性能的同时，还具备良好的抗热震性与介电性能、高热导率以及良好的高频电磁波传输性能，优异的综合性能使之已广泛用作航空航天等领域的复杂结构件。

但由于 Si3N4 属于强共价键化合物，结构稳定，依靠固相扩散很难烧结致密，必须通过添加烧结助剂来促进烧结，如金属氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相烧结机理来进行致密化。

目前，全球半导体器件技术都朝着更高的电压、更大的电流，和更大的功率密度方向发展，Si3N4 陶瓷制作方法的研究较多，本文为大家介绍有效提高氮化硅陶瓷致密性和综合力学性能的烧结工艺。

一、Si3N4 陶瓷常用的烧结方法

目前，制备 Si3N4 陶瓷的常用烧结方法主要有：反应烧结，无压烧结，热压烧结、放电等离子体烧结和气压烧结等。下表是其他实验中各种烧结方法制备 Si3N4 陶瓷材料的性能比较。

1. 反应烧结（reactive sintering, RS）是最早实现产业化制备 Si3N4 陶瓷的烧结方式，具有工艺简单、易成形、成本低、可制备形状复杂的样品等优点。但该烧结方式生产周期长，不利于工业化生产。

2. 无压烧结（pressureless sintering, PLS）是最基本、最简单的烧结工艺。但该方法对 Si3N4 原料要求较高，且较难制得高致密度的 Si3N4 陶瓷，收缩率较大，容易开裂变形。

3. 热压烧结（hot pressure sintering, HP）由于单轴机械压力的施加，增大了烧结驱动力，使其在低于常压烧结 100 ～ 200 ℃的温度下也能制得致密度高的陶瓷材料。但这种方法一般用于制备形状相对简单的块体陶瓷，较难满足基板材料的厚度与形状要求。

4. 放电等离子体烧结（spark plasma sintering, SPS）具有快速烧结、细化晶粒和降低烧结温度的特点。但 SPS 所需的设备投入较大，且高热导  Si3N4 的 SPS 制备尚处于实验阶段，并未工业化生产。

5. 气压烧结（gas pressure sintering, GPS）由于气体压力的施加抑制了陶瓷材料在高温下的分解与失重，不仅易制备高致密度的陶瓷，还能批量化生产。然而，一步气压烧结工艺很难制备出内外颜色和结构均一、综合性能良好的结构件；当采用两步烧结或多步烧结时能大幅度降低晶间氧含量，提高热导率，综合性能更为良好。

不过气压两步烧结温度较高，之前的研究主要集中于制备具有高热导率以及较高室温抗弯强度的 Si3N4 陶瓷基板材料，对于制备具有综合力学性能和高温力学性能的 Si3N4 陶瓷材料研究较少。

二、气压两步烧结法制备 Si3N4

重庆理工大学杨州等人则以 5 wt.% Yb2O3 +5 wt.% Al2O3 作为烧结助剂体系，在 1800 ℃经气压一步烧结和气压两步烧结工艺分别制备了 Si3N4 陶瓷，其中气压两步烧结制备出的 Si3N4 陶瓷具有更高致密、更良好的综合力学性能。以下为实验中气压一步烧结和气压两步烧结工艺分别对 Si3N4 陶瓷结构件微观形貌、力学性能的影响。

1. 致密度

Si3N4 致密化过程一般分为三个阶段，并且阶段之间存在重叠，第一个阶段颗粒重排和第二个阶段溶解沉淀是致密化最为关键的两个阶段，在这两个阶段若有充足的反应时间将会有效提升样品致密度。当两步烧结的预烧温度设为 1600 ℃ 时，生成的 β-Si3N4 晶粒相互交错成骨架，形成闭孔；预烧后继续升温，在高温高氮气压力作用下促进液相流动填充，有利于消除封闭气孔，使 Si3N4 陶瓷密度得到进一步提升。因此，两步烧结工艺制备的样品的密度和相对密度高于一步烧结。

2. 物相与微观形貌

一步烧结过程中，颗粒重排和晶界扩散所需的时间受到限制。两步烧结工艺通过在在低温低气压下进行第一步烧结，通过延长颗粒重排时间，得到更大尺寸的晶粒，再升到高温阶段保温，晶粒通过奥斯瓦尔德熟化过程继续长大，得到高致密的 Si3N4 陶瓷。

晶间相在高温条件下的软化是导致强度下降的主要原因。在一步烧结中异常长大晶粒使得晶粒间存在的小孔隙导致高温强度无法得到较大提升。但在两步烧结工艺中，均匀分布在晶粒间隙的玻璃相和均匀尺寸的晶粒提高了晶间强度，具有较高的高温抗弯强度。

综上所述，一步烧结长时间保温可以有效减少样品内部存在孔隙的现象，实现内部颜色结构的均一，但是会导致晶粒异常长大，恶化部分力学性能。而采取两步烧结工艺通过在低温下预烧延长颗粒重排时间，在高温度下保温促进晶粒均匀生长，成功制备出了相对密度达到 98.25%、微观形貌均匀、综合力学性能优异的 Si3N4 陶瓷。