تف­جوشی پلاسما جرقه­ای سرامیک نیترید سیلیسیم شفاف به امواج الکترومغناطیس با استحکام مکانیکی مناسب به کمک افزودنی اکسید ایتریم

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در بحث تف‌جوشی سرامیک‌های غیر اکسیدی بخصوص نیترید سیلیسیم، تف­جوشی حالت جامد آن به دلیل کمبود نفوذ پیوندهای کووالانسی در بین ساختار و نرسیدن به چگالی مناسب در این سرامیک است. شفافیت بالا نسبت به امواج الکترومغناطیس، استحکام مکانیکی و سختی مناسب در این سرامیک تنها با رشد فاز بتا میله­ای شکل حاصل می­شود. تف­جوشی پلاسمای جرقه­ای یکی از متداول‌ترین روش­های تف­جوشی با استفاده از میدان الکتریکی است که می­توان قطعاتی چگال را در فشار پایین و زمان تف‌جوشی کوتاه تولید کرد، در این پژوهش به کمک افزودنی اکسید ایتریم، دمای تشکیل فاز مذاب کم و نرخ رشد دانه­های میله­ای شکل بتا افزایش پیدا کرده است. در این پژوهش پودر نیترید سیلیسیم به همراه افزودنی اکسید ایتریم با درصدهای وزنی 3، 6 و 9 پس از مخلوط سازی تحت فرایند تف­جوشی پلاسمای جرقه­ای در دماهای 1450، 1550 و 1650 درجه سانتی­گراد قرار گرفته است. مطابق نتایج حاصل از پرتو اشعه ایکس، افزایش درصد وزنی افزودنی از 3 به 9 درصد وزنی و دمای تف­جوشی به 1650 درجه سانتی­گراد منجر به کاهش دمای جوانه‌زنی و بهبود رشد دانه­های فاز بتا شده است. همچنین بررسی ریزساختار، چگالی و فازهای تشکیل شده نشان داد که خواص مکانیکی (استحکام شکست 551 مگاپاسکال و سختی 1600 ویکرز) و شفافیت نسبت به امواج الکترومغناطیسی (ثابت دی‌الکتریکی 6٫7 و تانژانت اتلاف 0٫0002) مطلوب در این سرامیک مربوط به نمونه 10 درصد وزنی اکسید ایتریم تف­جوشی پلاسمای جرقه­ای شده در دمای 1650 درجه سانتی­گراد است.

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

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.