بررسي خواص الكترومغناطيسي كامپوزيت Si3N4/BAS/BN تف‌جوشي شده به روش پلاسماي جرقه‌اي

Investigation of electromagnetic properties of Si3N4/BAS/BN composite by a spark plasma sintering method.

نيتريد سيليسيم داراي خواص مطلوب مكانيكي و خواص الكترومغناطيسي است. بدليل ضريب دي‌الكتريك و تانژانت اتلاف پايين در دسته مواد شفاف امواج الكترومغناطيسي طبقه‌بندي شده و كانديداي مناسبي براي ساخت تجهيزات مخابراتي محسوب مي‌شود. تف‌جوشي نيتريد سيليسيم بدليل ضريب نفوذ در خود پايين و پيوندهاي كووالانسي قوي، با مشكلات فراواني همراه است. در اين پژوهش كامپوزيت سازي نيتريد سيليسيم با نيتريد بور/ آلومينوسيليكات باريم (Si3N4/BAS/BN) با نسبت وزني 70 به 30 درصد وزني به روش تف‌جوشي پلاسماي جرقه‌اي (SPS) انجام شد. نيتريد بور به عنوان ماده شفاف امواج الكترومغناطيسي در پنجره آنتن‌ها كاربرد فراوان دارد. اين ماده در مقادير ميزان 3، 6 و9 درصد وزني به كامپوزيت اضافه شد. براي تركيبات مختلف داراي صفر، 3، 6 و 9 درصد وزني نيتريد بور، ميانگين ضريب دي الكتريك به ترتيب با مقادير 6، 5.2، 6.2 و 7.1 و ميانگين تانژانت اتلاف به ترتيب 0.002، 0.002، 0.004 و 0.1 در فركانس‌هاي باند X، با آزمون تحليلگر شبكه بردار فركانس راديويي (VNA) اندازه‌گيري شد. بررسي هاي ريزساختاري توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي و آناليز فازي توسط پراش پرتو ايكس نشان داد كه افزودن BN بيش از 3 درصد وزني باعث رشد بيشتر دانه‌هاي β-Si3N4 با مكانيزم انحلال، نفوذ و رسوبگذاري (SDP) شده و و منجر به افزايش ضريب دي الكتريك و تانژانت اتلاف مي‌شود. نمونه بهينه P50BN3 حاوي 3 درصد وزني BN كه تحت فشار مكانيكي نهايي 50 مگاپاسكال زينتر شده با تانژانت اتلاف 0.002 در 38% فركانس‌هاي باند X خواص الكترومغناطيسي بهتري از خود نشان داد.

Silicon nitride has favorable mechanical properties and electromagnetic properties. Due to its low dielectric and tangent coefficient, it is classified as a transparent material for electromagnetic waves and is a suitable candidate for the construction of telecommunication equipment. Silicon nitride crosslinking is associated with many problems due to its low self-diffusion coefficient and strong covalent bonds. In this study, silicon nitride was composed of boron nitride / barium aluminosilicate (Si3N4 / BAS / BN) with a weight ratio of 70 to 30% by weight by the ignition plasma quenching (SPS) method. Boron nitride is widely used as a transparent material for electromagnetic waves in antenna windows. This material was added to the composite in amounts of 3, 6 and 9% by weight. For different compounds with zero, 3, 6 and 9% by weight of boron nitride, the mean dielectric coefficients are 6, 5.2, 6.2 and 7.1, respectively, and the mean loss tangents are 0.002, 0.002, 0.004 and 0.1 in the X-band frequencies, respectively. Radio Frequency Vector Analyzer (VNA) test was measured. Microstructural studies by scanning electron microscopy and fuzzy analysis by X-ray diffraction showed that the addition of BN more than 3% by weight caused more growth of β-Si3N4 granules by dissolution, diffusion and deposition (SDP) mechanism and increased the dielectric coefficient. And the tangent is lost. The optimal sample of P50BN3 containing 3% by weight BN, which was sintered under a final mechanical pressure of 50 MPa with a loss tangent of 0.002 at 38% of the X-band frequencies, showed better electromagnetic properties.