بهینه‌سازی خواص مکانیکی و دی‌الکتریک بوسیله کنترل تراکم‌پذیری و ریزساختار در سرامیکهای نیترید سیلیسیم تهیه شده به روش پرس داغ
الموضوعات :
سیدسلمان سیدافقهی
1
,
امیرحسین کوچکی فروشانی
2
,
پوریا دهقانی
3
,
فرهود حیدری
4
1 - دانشیار، دانشکده و پژوهشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران.
2 - دانشجوی دکتری، رشته مهندسی مواد - سرامیک، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، البرز، ایران
3 - پژوهشگر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران.
4 - دانشجوی دکتری رشته مهندسی مواد و پژوهشگر مرکز مواد پیشرفته و نانوفناوری، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
الکلمات المفتاحية: خواص مکانیکی, دی الکتریک, پرس داغ, تف‌جوشی, نیتریدسیلیسیم,
ملخص المقالة :
سرامیکهای نیترید سیلیسیم موادی با خواص مکانیکی، دی‌الکتریک و حرارتی عالی هستند که با دارا بودن چنین ویژگی‌هایی یکی از کاندیدهای اصلی جهت کاربرد در شرایط محیطی دما بالا است. در این پژوهش اثر دمای تف‌جوشی بر کنترل ریزساختار و تراکم پذیری و بهینه‌سازی خواص مکانیکی و دی‌الکتریک سرامیکهای نیترید سیلیسیم تهیه شده به روش پرس داغ در دماهای مختلف 1500، 1600، 1700 و 1800 درجه سانتیگراد بررسی شده است. از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس به ترتیب جهت بررسی ریزساختار و آنالیز فازهای تشکیل شده استفاده شده است. طبق الگوی پراش حاصل از پرتو ایکس و رابطه گازارا-مسیر، در نمونه‌های سینتر شده در دمای 1600 و1700 درجه سانتیگراد همه فاز آلفا به بتا تبدیل شده و در نمونه سینتر شده در دمای 1500 درجه سانتیگراد میزان تبدیل 95.45% بوده است. نتایج حاکی از آن است که افزایش دمای تف‌جوشی از1500 به 1800 درجه سانتیگراد منجر به درشت‌تر شدن دانه‌های میله‌ای شکل و دستیابی به ریزساختار دوگانه شده و قطر متوسط دانه‌ها از 0.7 میکرومتر به 1.34 میکرومتر افزایش یافته است. نمونه سینتر شده در دمای 1500درجه سانتیگراد با دارا بودن کمترین مقدار قطر متوسط ( 0.7 میکرومتر) در بین سایر نمونه‌ها، بیشترین مقدار استحکام خمشی 9.5 ± 550 مگاپاسکال را به خود اختصاص داده است. با افزایش اندازه متوسط دانه‌ها و کاهش نسبت فازی α/β در اثر افزایش دمای تف‌جوشی، میانگین ثابت دی‌الکتریک و تانژانت اتلاف نمونه‌ها به ترتیب از 4.5 به 9.2 و از 0.099 به 0.22 افزایش یافته است.
[1]H. Kaya, "The application of ceramic-matrix composites to the automotive ceramic gas turbine", Compos. Sci. Technol, vol. 59, no. 6, pp. 861–872, May 1999, doi: 10.1016/S0266-3538(99)00016-0.
[2]Z. Krstic & V. D. Krstic, "Silicon nitride: the engineering material of the future", J. Mater. Sci, vol. 47, no. 2, pp. 535–552, Jan. 2012, doi: 10.1007/s10853-011-5942-5.
[3]M. H. Bocanegra-Bernal & B. Matovic, "Mechanical properties of silicon nitride-based ceramics and its use in structural applications at high temperatures," Mater. Sci. Eng. A, vol. 527, no. 6, pp. 1314–1338, Mar. 2010, doi: 10.1016/j.msea.2009.09.064.
[4] M. Pettersson, Z. Pakdaman, H. Engqvist, Y. Liu, Z. Shen & E. Östhols, "Spark plasma sintered β-phase silicon nitride with Sr and Ca as a sintering aid for load bearing medical applications", J. Eur. Ceram. Soc, vol. 32, no. 11, pp. 2705–2709, Aug. 2012, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.12.027.
[5] X. J. Liu, Z. Y. Huang, Q. M. Ge, X. W. Sun & L. P. Huang, "Microstructure and mechanical properties of silicon nitride ceramics prepared by pressureless sintering with MgO-Al2O3 -SiO2 as sintering additive", J. Eur. Ceram. Soc, vol. 25, no. 14, pp. 3353–3359, 2005, doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2004.08.025.
[6]S. Guo, N. Hirosaki, Y. Yamamoto, T. Nishimura & M. Mitomo, "Dependence of fracture stress on applied stress rate in a Yb2O3-SiO2-doped hot-pressed silicon nitride ceramic", J. Mater. Res, vol. 16, no. 11, pp. 3254–3261, 2001, doi: 10.1557/JMR.2001.0448.
[7] P. F. Becher & et al, "Microstructural Design of Silicon Nitride with Improved Fracture Toughness: I, Effects of Grain Shape and Size", J. Am. Ceram. Soc, vol. 81, no. 11, pp. 2821–2830, Jan. 2005, doi: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02702.x.
[8] V. Sharma, S. Nemat-Nasser & K. S. Vecchio, "Effect of grain-boundary phase on dynamic compression fatigue in hot-pressed silicon nitride", J. Am. Ceram. Soc, vol. 81, no. 1, pp. 129–139, 1998, doi: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02304.x.
[9] I. Bar-On, F. I. Baratta & K. Cho, "Crack stability and its effect on fracture toughness of hot-pressed silicon nitride beam specimens", Journal of the American Ceramic Society, vol. 79, no. 9. pp. 2300–2308, 1996. doi: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb08976.x.
[10] ح. صدلاله و ا. نورمحمدی، "اثر فرآیند پرس گرم بر ریزساختار و خواص مغناطیسی آلیاژ نانو بلورین فاینمت"، مواد و فناوری‌های پیشرفته، دوره 4، شماره 1، صفحه 54-47، 1394.
[11] ص. منافی و م. خواجه لو، " تولید و ارزیابی خواص نانوکامپوزیت زمینه سرامیکی B4C/BN توسط فرآیند پرس گرم"، نانو مواد، دوره 10، شماره 33، صفحه 58-53، 1396.
[12] H. Liang & et al, "YB2C2: A new additive for fabricating Si3N4 ceramics with superior mechanical properties and medium thermal conductivity", Ceram. Int, vol. 46, no. 4, pp. 5239–5243, Mar. 2020, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.10.272.
[13] Y. Han & et al, "Optimum sintering temperature of high quality silicon nitride ceramics under oscillatory pressure", Ceram. Int, vol. 44, no. 6, pp. 6949–6952, Apr. 2018, doi: 10.1016/j.ceramint.2018.01.126.
[14] J. Yang, J. Yang, S. Shan, J. Gao & T. Ohji, "Effect of Sintering Additives on Microstructure and Mechanical Properties of Porous Silicon Nitride Ceramics", J. Am. Ceram. Soc, vol. 89, no. 12, pp. 3843–3845, Dec. 2006, doi: 10.1111/j.1551-2916.2006.01294.x.
[15] W. Liu, W. Tong, X. Lu & S. Wu, "Effects of different types of rare earth oxide additives on the properties of silicon nitride ceramic substrates", Ceram. Int, vol. 45, no. 9, pp. 12436–12442, Jun. 2019, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.03.176.
[16] K. Jeong, J. Tatami, M. Iijima & T. Nishimura, "Spark plasma sintering of silicon nitride using nanocomposite particles", Adv. Powder Technol, vol. 28, no. 1, pp. 37–42, Jan. 2017, doi: 10.1016/j.apt.2016.06.027.
[17] S. C. Luo, W. M. Guo, K. Plucknett & H. T. Lin, "Improved toughness of spark-plasma-sintered Si3N4 ceramics by adding HfB2", Ceram. Int, vol. 47, no. 6, pp. 8717–8721, Mar. 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.11.201.
[18] W. Liu, W. Tong, R. He, H. Wu & S. Wu, "Effect of the Y2O3 additive concentration on the properties of a silicon nitride ceramic substrate", Ceram. Int, vol. 42, no. 16, pp. 18641–18647, Dec. 2016, doi: 10.1016/j.ceramint.2016.09.001.
[19] Q. G. Jiang & et al, "Influence of powder characteristics on hot-pressed Si3N4 ceramics", Sci. Sinter, vol. 49, no. 1, pp. 81–89, 2017, doi: 10.2298/SOS1701081J.
[20] H. Seiner & et al, "Elastic properties of silicon nitride ceramics reinforced with graphene nanofillers", Mater. Des, vol. 87, pp. 675–680, 2015, doi: 10.1016/j.matdes.2015.08.044.
[21] J. Wippler, S. Fünfschilling, F. Fritzen, T. Böhlke & M. J. Hoffmann, "Homogenization of the thermoelastic properties of silicon nitride", Acta Mater, vol. 59, no. 15, pp. 6029–6038, 2011, doi: 10.1016/j.actamat.2011.06.011.
[22] P. Šajgalik, J. Dusza & M. J. Hoffmann, "Relationship between Microstructure, Toughening Mechanisms, and Fracture Toughness of Reinforced Silicon Nitride Ceramics", J. Am. Ceram. Soc, vol. 78, no. 10, pp. 2619–2624, Oct. 1995, doi: 10.1111/j.1151-2916.1995.tb08031.x.
[23] B. Ma, Y. Tang & C. Deng, "Effects of Al2O3–Y2O3/Yb2O3 additives on microstructures and mechanical properties of silicon nitride ceramics prepared by hot‐pressing sintering", Int. J. Appl. Ceram. Technol, May 2022, doi: 10.1111/ijac.14081.
[24] Q. Dai, D. He, F. Meng, P. Liu & X. Liu, "Materials Science in Semiconductor Processing Dielectric constant, dielectric loss and thermal conductivity of Si3N4 ceramics by hot pressing with CeO2 – MgO as sintering aid", Mater. Sci. Semicond. Process, vol. 121, no. August 2020, p. 105409, 2021, doi: 10.1016/j.mssp.2020.105409.
[25] S. Dahms, F. Gemse, U. Basler, H. P. Martin & A. Triebert, "Diffusion joining of silicon nitride ceramics," Est. J. Eng, vol. 15, no. 4, p. 301, 2009, doi: 10.3176/eng.2009.4.07.
[26] Y. Song, L. Liu, D. Liu, X. Song & J. Cao, "Low-temperature bonding of Cu on Si3N4 substrate by using Ti/Cu thin films", Mater. Lett, vol. 320, p. 132330, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132330.
[27] H. Singh, M. D. Hayat, H. Zhang & P. Cao, "The decomposition of Si3N4 in titanium and its effect on wear properties," Wear, vol. 420–421, pp. 87–95, Feb. 2019, doi: 10.1016/j.wear.2018.12.094.
[28] G. Cotin & et al, "A Confinement‐Driven Nucleation Mechanism of Metal Oxide Nanoparticles Obtained via Thermal Decomposition in Organic Media", Small, vol. 18, no. 20, p. 2200414, May 2022, doi: 10.1002/smll.202200414.
[29] C. C. Ye, W. Q. Wei, X. Fu, C. H. Wang & H. Q. Ru, "Effect of sintering activation energy on Si3N4 composite ceramics", Ceram. Int, vol. 48, no. 4, pp. 4851–4857, 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.021.
[30] A. H. Nassajpour-Esfahani, A. Alhaji, M. R. Hahftbaradaran-Esfahani, R. Emadi & A. Bahrami, "Oxidation and phase transformation behaviors of Si3N4-xMgAl2O4 (0 < x < 90 wt.%) nanocomposites in vacuum, air, and nitrogen atmospheres", Ceram. Int, vol. 47, no. 21, pp. 30807–30814, 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.07.261.
[31]C. Ye & et al, "Investigation on thermal conductivity and mechanical properties of Si3N4 ceramics via one-step sintering", Ceram. Int, vol. 47, no. 23, pp. 33353–33362, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.238.
[32] Y. Wang & et al, "Synthesis of monodisperse and high-purity α-Si3N4 powder by carbothermal reduction and nitridation", Adv. Powder Technol, vol. 32, no. 8, pp. 3101–3106, 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.06.023.
[33] Z. Liu & et al, "Liquid-Phase-Assisted Catalytic Nitridation of Silicon and In Situ Growth of &alpha-Si3N4", Materials (Basel), vol. 15, no. 17, 2022, doi: 10.3390/ma15176074.
[34] H. Ding, Y. Hu, X. Li, Z. Zhao & H. Ji, "Microstructure, mechanical properties and sintering mechanism of pressureless-sintered porous Si3N4 ceramics with YbF3-MgF2 composite sintering aids", Ceram. Int, vol. 46, no. 2, pp. 2558–2564, Feb. 2020, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.114.
[35] A. Kumar, R. S. Rana, R. Purohit, K. K. Saxena, J. Xu & V. Malik, "Metallographic Study and Sliding Wear Optimization of Nano Si3N4 Reinforced High-Strength Al Metal Matrix Composites", Lubricants, vol. 10, no. 9, 2022, doi: 10.3390/lubricants10090202.
[36] J. Xu, K. Hattori, Y. Seino & I. Kojima, "Microstructure and properties of CrN/Si3N4 nano-structured multilayer films", Thin Solid Films, vol. 414, no. 2, pp. 239–245, 2002, doi:https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00483-2.
[37] F. Hu, T. Zhu, Z. Xie & J. Liu, "Effect of composite sintering additives containing non-oxide on mechanical, thermal and dielectric properties of silicon nitride ceramics substrate", Ceram. Int, vol. 47, no. 10, pp. 13635–13643, May 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2021.01.224.
[38] C. E. Lee, M. J. Kim, Y. J. Park, J. W. Ko, H. N. Kim & S. Bae, "The effect of silicon particle size on the characteristics of porous sintered reaction bonded silicon nitride", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 101, no. July, p. 105647, 2021.
[39] A. R. Von Hippel, "Dielectric Materials and Applications", Artech House, 1995.
[40] C. Gabriel, S. Gabriel, E. H. Grant, E. H. Grant, B. S. J. Halstead & D. Michael P. Mingos, "Dielectric parameters relevant to microwave dielectric heating", Chem. Soc. Rev, vol. 27, no. 3, pp. 213–224, 1998, doi: 10.1039/A827213Z.
[41] O. A. Lukianova & V. V. Sirota, "Dielectric properties of silicon nitride ceramics produced by free sintering", Ceram. Int, vol. 43, no. 11, pp. 8284–8288, Aug. 2017, doi: 10.1016/j.ceramint.2017.03.161.
6- پی‌نوشت
[1] Hot Press
[2] Spark Plasma Sintering
[3] Hot Isostatic Pressing
[4] Liu et al
[5] Jiang et al
[6] Gazara-Meseir
[7] Park et al
