بررسی اثر افزودن نیترید بور بر خواص مکانیکی کامپوزیت si3n4/bas/bn تف‌جوشی شده به روش پلاسمای جرقه‌ای

Si3n4 به دلیل خواص مکانیکی بالا، شوک پذیری حرارتی مناسب، پایداری در محیط های خورنده و اکسیدی و شفافیت بالا نسبت به امواج الکترومغناطیسی در محدوده مایکروویو به عنوان ماده ای منحصربفرد برای کاربردهای مهندسی در شرایط بحرانی مطرح است. بدلیل ضریب نفوذ در خود پایین و پیوندهای کووالانسی قوی، تف‌جوشی si3n4 بدون افزودنی با مشکلات فراوانی همراه است. در این پژوهش کامپوزیت سازی si3n4 با نیترید بور/ آلومینوسیلیکات باریم (si3n4/bas/bn) با نسبت وزنی 70 به 30 درصد وزنی به روش تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (sps) انجام شد. ایجاد فاز شیشه‌ای آلومینوسیلیکات باریم براساس مکانیزم تف‌جوشی فاز مایع منجر به افزایش نسبت چگالی حقیقی به تئوری تا 96/10% در مقایسه با si3n4 خالص با چگالی نسبی 76/96% شد. همچنین افزودن میزان نیترید بور در مقادیر3 تا 9 درصد وزنی باعث افزایش استحکام خمشی کامپوزیت از 218 تا 268 مگاپاسکال شد. بررسی خواص مکانیکی نمونه های ساخته شده بیانگر این است که نمونه دارای 9 درصد وزنی نیترید بور تف جوشی شده، دارای بالاترین میزان استحکام خمشی 268/75 مگاپاسکال بوده و دارای سختی 654 ویکرز است. بررسی های ریزساختاری توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز فازی توسط پراش پرتو ایکس نشان داد که افزودن bn باعث رشد دانه‌های β-si3n4 با مکانیزم انحلال، نفوذ و رسوبگذاری (sdp) شده و در نتیجه نقش موثری در افزایش استحکام خمشی نمونه‌ها در مقایسه با نمونه بدون نیترید بور دارد.

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

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.