Improving the thermal conductivity and mechanical properties of Si 3 N 4 ceramic by regulating bimodal microstructure

微观结构 陶瓷 材料科学 热导率 复合材料 热的 电导率 矿物学 冶金 热力学 化学 物理化学 物理
作者
Yun Liu,Ruixiang Liu,Zongwei Tong,Yuanhang Zheng,Jixue Zhao,Tianyi Sui,Xiaolei Li,Bin Lin
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:108 (8) 被引量:12
标识
DOI:10.1111/jace.20519
摘要

Abstract The preparation of silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics with high thermal conductivity and excellent mechanical properties has been a challenge, which limits their application in high‐power devices. In this work, a two‐step sintering process was designed to regulate the content of in situ‐generated β‐Si 3 N 4 seeds, which enables fine control of the bimodal microstructure and the successful fabrication of Si 3 N 4 ceramics with excellent properties. Remarkably, the mechanism of bimodal microstructure evolution of two‐step sintered Si 3 N 4 ceramics is elucidated, and the effect of the difference in the degree of bimodal microstructure on thermal conductivity and mechanical properties is also explained. After pre‐sintering at 1390°C for 2 h and second‐step sintering at 1900°C for 12 h, the thermal conductivity, bending strength, and fracture toughness of Si 3 N 4 ceramics were 104.6 ± 0.36 W·m −1 ·K −1 , 725 ± 14.5 MPa, and 9.9 ± 0.65 MPa·m 1/2 , respectively. Overall, this study provides a strategy to enhance the thermal and mechanical properties of Si 3 N 4 ceramics by optimizing the bimodal microstructure.
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