بررسي اثر دماي تف‌جوشي بر ريزساختار، خواص مكانيكي و دي‌الكتريك سراميك‌هاي نيتريد سيليسيم تهيه شده به روش پرس داغ

Investigation of the effect of sintering temperature on the microstructure, mechanical and dielectric properties of silicon nitride ceramics prepared by hot pressing method

سراميك‌ نيتريد سيليسيم ماده‌اي با خواص مكانيكي، دي‌الكتريك و حرارتي عالي است كه با دارا بودن چنين ويژگي‌هايي يكي از كانديدهاي اصلي جهت كاربرد در شرايط محيطي دما بالا است. در اين پژوهش اثر دماي تف‌جوشي بر ريزساختار، خواص مكانيكي و دي‌الكتريك سراميك‌هاي نيتريد سيليسيم با افزودني Y2O3 تهيه شده به روش پرس داغ در دماهاي مختلف 1500، 1600، 1700 و1800 درجه سانتيگراد به مدت 4 ساعت تحت فشار 30 مگاپاسكال بررسي شده است. از دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبشي و پراش اشعه ايكس به ترتيب جهت بررسي ريزساختار و آناليز فازهاي تشكيل شده استفاده شده است. طبق الگوي پراش حاصل از پرتو ايكس و رابطه گازارا-مسير، در نمونه‌هاي سينتر شده در دماي 1600 و1700 درجه سانتيگراد همه فاز آلفا به بتا تبديل شده و در نمونه سينتر شده در دماي 1500 درجه سانتيگراد، ميزان تبديل 95/45% بوده است. نتايج حاكي از آن است كه افزايش دماي تف‌جوشي از 1500 به 1800 درجه سانتيگراد منجر به درشت‌تر شدن دانه‌هاي ميله‌اي شكل و دستيابي به ريزساختار دوگانه شده و قطر متوسط دانه‌ها از µm 0/7 به µm 1/34 افزايش يافته است. ميزان استحكام خمشي نمونه‌ها از رابطه هال - پچ تبعيت مي‌نمايد و نمونه سينتر شده در دماي 1500 درجه سانتيگراد، با دارا بودن كمترين مقدار قطر متوسط (µm 0/7) در بين ساير نمونه‌ها، بيشترين مقدار استحكام خمشي 530 مگاپاسكال را به خود اختصاص داده است. با افزايش اندازه متوسط دانه‌ها و كاهش نسبت فازي α/β در اثر افزايش دماي تف‌جوشي، ميانگين ثابت دي‌الكتريك و تانژانت اتلاف نمونه‌ها به ترتيب از 4/5 به 9/2 و از 0/099 به 0/22 افزايش يافته است.

Silicon nitride ceramic is a material with excellent mechanical, dielectric and thermal properties, which with such properties is one of the main candidates for use in high temperature environments. In this study, the effect of sintering temperature on the microstructure, mechanical and dielectric properties of silicon nitride ceramics with Y2O3 additive prepared by hot pressing at different temperatures of 1500, 1600, 1700 and 1800 ˚C for 4h under 30 MPa pressure has been investigated. Scanning electron microscopy and X-ray diffraction have been used to study the microstructure and analysis of the formed phases, respectively. According to the X-ray diffraction pattern and the Gazara-messier relationship, in the sintered samples at 1600 °C and 1700 °C, all alpha phases were converted to beta, and in the sintered samples at 1500 °C, the conversion rate was 95.45%. The results show that increasing the stiffening temperature from 1500 to 1800 ˚C leads to larger rod-shaped grains and achieves a dual microstructure, and the average grain diameter has increased from 0.7 µm to 1.34 µm. The flexural strength of the specimens follows the Hall-patch relationship and the sintered specimen at 1500 °C, with the lowest average diameter (0.7 µm) among other specimens, has the highest flexural strength of 530 MPa. By increasing the average grain size and decreasing the α/β phase ratio due to the increase in sintering temperature, the mean dielectric constant and loss tangent of the sample increased from 4.5 to 9.2 and from 0.099 to 0.22, respectively.