氮化硅陶瓷增韧调研报告

氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷,具有良好的室温及高温机械性能,强度高,耐磨蚀,抗热震能力强,抗化学腐蚀,低导热系数,密度相对较小,是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料,亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料,近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。

氮化硅陶瓷增韧调研报告

1、前言

氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨蚀，抗热震能力强，抗化学腐蚀，低导热系数，密度相对较小，是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料，亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料，近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。

但是，已有的研究对氮化硅陶瓷的脆性缺陷仍未获得彻底改善，从而大大限制了它的实际应用。如何提高氮化硅韧性仍是人们研究的焦点。目前从事氮化硅陶瓷研究的学者为了提高其韧性，主要从两大方面着手进行韧性改善。一是通过进行“显微结构设计”来提高氮化硅陶瓷的韧性。即降低气孔的含量，控制杂质的含量，提高氮化硅陶瓷的密度、纯度；对氮硅陶瓷的晶型、晶粒尺寸、发育完整程度进行控制；对晶界的大小、材质进行调控；对玻璃相的数量、性质、分布状态等进行控制，以求在烧结后获得最佳韧性的显微组织，从而提高氮化硅陶瓷的韧性【1】。二是在上述基础上开展的“晶界工程”研究。氮化硅陶瓷常以多晶陶瓷的形式出现，而对多晶材料而言，当晶体较小为微米或纳米级时，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学性能等的一个极其重要的因素。对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度，尤其是晶界高温强度是决定其能否作为高温工程材料运用的关键。氮化硅是强共价键化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时它的晶界能Vgb与粉末表面能Vsv的比值(Vgb/ Vsv) 比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力Δv 较小，决定了纯氮化硅无法靠常规的固相烧结达到致密化，必须加入少量氧化物烧结助剂，在高温烧结过程中它们与氮化硅表面SiO2反应形成液相，通过液相烧结成致密体，冷却后该液相呈玻璃态存在于晶界。而此玻璃相的性能在很大程度上决定了氮化硅陶瓷材料的性能。为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界结晶化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程”【2】。

2、氮化硅陶瓷增韧研究现状

氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷,具有良好的室温及高温机械性能,强度高,耐磨蚀,抗热震能力强,抗化学腐蚀,低导热系数,密度相对较小,是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料,亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料,近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。

目前氮化硅陶瓷的增韧途径很多，从显微结构设计角度出发，有颗粒弥散增韧、晶须或纤维增韧、ZrO2 相变增韧及利用柱状β-Si3N4 晶粒的自增韧等。从宏观结构设计角度出发，人们提出了层状结构复合增韧。此外，采用纳米复相陶瓷技术也可对氮化硅陶瓷进行增韧。

2. 1 颗粒弥散增韧

颗粒增韧就是在氮化硅材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒如SiC、TiC、TiN等。由于这些第二相粒子与基体粒子存在弹性模量和热膨胀系数上的差异，在烧结过程冷却阶段因存在一定温差而在坯体内部产生径向张应力和切向压应力。这种应力的存在和外应力发生作用，使裂纹前进的方向发生偏转和分叉，消耗断裂能，从而可提高材料的抗断裂能力以达到增韧的目的。颗粒弥散增韧与温度无关，可以作为高温增韧机制。但此法一般只能取得40%-70%的增韧效果，其增韧效果不明显。最近通过使用纳米级SiC颗粒弥散分布在氮化硅基体内部或晶界上得到的Si3N4-SiC纳米复合材料表现出优良的力学性能和极高的高温强度，是目前研究的一个热点。

常用的补强增韧颗粒及所获得的氮化硅陶瓷性能改进。孙兴伟等研究提出，在氮化硅中添加体积分数为10%TiN时，抗折强度和硬度最高，KIC为6.27MPa·m1/2；在添加20%TiN时，硬度(HRA)和强度达到最大值，分别为93．9和l092MPa左右

【3】。沈建兴等研究表明，在合成Si3N4 时引入MoSi2，结合热压烧结工艺，可以使复合材料的性能得到提高，检测表明其室温抗弯强度高达184MPa，韧性为

3. 81～4.15MPa·m1/2 【4】。陈森凤等研究表明，在Si3N4基体材料中添加高弹性模量的第二相粒子Ti(C0.3N0.7)能起到颗粒弥散增韧的作用，当Ti(C0.3N0.7)添加量为30％时，材料的抗弯强度和断裂韧性达到最大值，分别为657MPa和

6.63MPa·m1/2【5】。饶平根等在Si3N4材料中添加15wt%Y-TZP在1770～1800℃，保温1h，氮气压力3MPa的烧成条件下断裂韧性达8.33MPa·m1/2，与基体相比提高30%，其增韧机理主要为微裂纹增韧和第二相粒子增韧【6】。Bin Zou等2007年制备的Si3N4/Si3N4w/TiN纳米复合陶瓷，结果表明：在30MPa的压力和1650℃下40分钟的条件下，引入20%（体积）纳米级的Si3N4w和5%TiN时具有最佳性能，其弯曲强度为980MPa，断裂韧性为9.60MPa·m1/2，硬度为18 GPa【7】。陈祥健等