بررسي اثر افزودن نيتريد بور بر خواص مكانيكي كامپوزيت Si3N4/BAS/BN تف‌جوشي شده به روش پلاسماي جرقه‌اي

Effect of boron nitride additive on mechanical properties of Si3N4/BAS/BN composite sintered by spark plasma

Si3N4 به دليل خواص مكانيكي بالا، شوك پذيري حرارتي مناسب، پايداري در محيط هاي خورنده و اكسيدي و شفافيت بالا نسبت به امواج الكترومغناطيسي در محدوده مايكروويو به عنوان ماده اي منحصربفرد براي كاربردهاي مهندسي در شرايط بحراني مطرح است. بدليل ضريب نفوذ در خود پايين و پيوندهاي كووالانسي قوي، تف‌جوشي Si3N4 بدون افزودني با مشكلات فراواني همراه است. در اين پژوهش كامپوزيت سازي Si3N4 با نيتريد بور/ آلومينوسيليكات باريم (Si3N4/BAS/BN) با نسبت وزني 70 به 30 درصد وزني به روش تف‌جوشي پلاسماي جرقه‌اي (SPS) انجام شد. ايجاد فاز شيشه‌اي آلومينوسيليكات باريم براساس مكانيزم تف‌جوشي فاز مايع منجر به افزايش نسبت چگالي حقيقي به تئوري تا 96/10% در مقايسه با Si3N4 خالص با چگالي نسبي 76/96% شد. همچنين افزودن ميزان نيتريد بور در مقادير3 تا 9 درصد وزني باعث افزايش استحكام خمشي كامپوزيت از 218 تا 268 مگاپاسكال شد. بررسي خواص مكانيكي نمونه هاي ساخته شده بيانگر اين است كه نمونه داراي 9 درصد وزني نيتريد بور تف جوشي شده، داراي بالاترين ميزان استحكام خمشي 268/75 مگاپاسكال بوده و داراي سختي 654 ويكرز است. بررسي هاي ريزساختاري توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي و آناليز فازي توسط پراش پرتو ايكس نشان داد كه افزودن BN باعث رشد دانه‌هاي β-Si3N4 با مكانيزم انحلال، نفوذ و رسوبگذاري (SDP) شده و در نتيجه نقش موثري در افزايش استحكام خمشي نمونه‌ها در مقايسه با نمونه بدون نيتريد بور دارد.

Si3N4 is a unique material for engineering applications in critical conditions due to its high mechanical properties, good thermal shock resistance, stability in corrosive and oxidizing environments and high wave transparency in the microwave range. Due to its low self-diffusion coefficient and strong covalent bonds, Si3N4 sintering without additives is associated with many problems. In this study, Si3N4/ barium aluminosilicate / boron nitride composite (70%Si3N4 – 30%(BAS+BN)) was fabricated by spark plasma sintering (SPS). The formation of barium aluminosilicate glass phase based on the liquid phase quenching mechanism led to an increase in the relative density to 96.10% compared to pure Si3N4 with a relative density of 76.96%. Also, the addition of boron nitride in the amount of 3 to 9% by weight increased the flexural strength of the composite from 218 to 268 MPa. Examination of the mechanical properties indicates that the sample has 9 wt% BN, has the highest flexural strength of 268.75 MPa and has a hardness of 654 Vickers. Microstructural studies by scanning electron microscopy (SEM) and phase analysis by X-ray diffraction showed that the addition of BN caused the growth of β-Si3N4 particles by solution, diffusion and percipitaion (SDP) mechanism and thus played an effective role in increasing the flexural strength of samples compared to sample without BN.