تف­جوشي پلاسما جرقه­اي سراميك نيتريد سيليسيم شفاف به امواج الكترومغناطيس با استحكام مكانيكي مناسب به كمك افزودني اكسيد ايتريم

Spark Plasma Sintering of electromagnetic transparent silicon nitride with enhanced mechanical strength by addition of Y2O3

يكي از بزرگ‌ترين چالش‌ها در بحث تف‌جوشي سراميك‌هاي غير اكسيدي بخصوص نيتريد سيليسيم، تف­جوشي حالت جامد آن به دليل كمبود نفوذ پيوندهاي كووالانسي در بين ساختار و نرسيدن به چگالي مناسب در اين سراميك است. شفافيت بالا نسبت به امواج الكترومغناطيس، استحكام مكانيكي و سختي مناسب در اين سراميك تنها با رشد فاز بتا ميله­اي شكل حاصل مي­شود. تف­جوشي پلاسماي جرقه­اي يكي از متداول‌ترين روش­هاي تف­جوشي با استفاده از ميدان الكتريكي است كه مي­توان قطعاتي چگال را در فشار پايين و زمان تف‌جوشي كوتاه توليد كرد، در اين پژوهش به كمك افزودني اكسيد ايتريم، دماي تشكيل فاز مذاب كم و نرخ رشد دانه­هاي ميله­اي شكل بتا افزايش پيدا كرده است. در اين پژوهش پودر نيتريد سيليسيم به همراه افزودني اكسيد ايتريم با درصدهاي وزني 3، 6 و 9 پس از مخلوط سازي تحت فرايند تف­جوشي پلاسماي جرقه­اي در دماهاي 1450، 1550 و 1650 درجه سانتي­گراد قرار گرفته است. مطابق نتايج حاصل از پرتو اشعه ايكس، افزايش درصد وزني افزودني از 3 به 9 درصد وزني و دماي تف­جوشي به 1650 درجه سانتي­گراد منجر به كاهش دماي جوانه‌زني و بهبود رشد دانه­هاي فاز بتا شده است. همچنين بررسي ريزساختار، چگالي و فازهاي تشكيل شده نشان داد كه خواص مكانيكي (استحكام شكست ۵۵۱ مگاپاسكال و سختي ۱۶۰۰ ويكرز) و شفافيت نسبت به امواج الكترومغناطيسي (ثابت دي‌الكتريكي ۶٫۷ و تانژانت اتلاف ۰٫۰۰۰۲) مطلوب در اين سراميك مربوط به نمونه ۱۰ درصد وزني اكسيد ايتريم تف­جوشي پلاسماي جرقه­اي شده در دماي ۱۶۵۰ درجه سانتي­گراد است.

One of the biggest challenges in the discussion of non-oxidizing ceramics, especially silicon nitride, is it s solid-state due to the lack of penetration of covalent bonds between the structures and not reaching the proper density in this ceramic. High transparency to electromagnetic waves, good mechanical strength, and hardness in this ceramic is achieved only with the growth of the beta phase of the rod. Spark plasma Sintering is one of the most common sintering methods using an electric field that can produce dense parts at low pressure and short firing time. In this study, with the help of Y2O3 additive, the formation temperature of The melt phase is low and the grain growth rate of beta-shaped rods was increased. In this research, silicon nitride powder with Y2O3 additive with weight percentages of 3, 6, and 9 after mixing has been subjected to a spark plasma sintering process at temperatures of 1450, 1550, and 1650 °C. According to the results of the X-ray, increasing the weight percentage of the additive from 3 to 9% by weight and the fermentation temperature to 1650 °C has led to a decrease in germination temperature and improved growth of beta phase grains. Also, the study of microstructure, density, and formed phases showed the mechanical properties (fracture strength 551 MPa and hardness 1600 Vickers) and transparency to electromagnetic waves (dielectric constant 6.7 and loss tangent 0.0002) are good in this sample. 10% by weight of yttrium oxide is ignited plasma at 1650 °C.