“韧性”起来!氮化硅陶瓷增韧的8大妙招

2022-10-21


Si3N4陶瓷作为一种重要的结构陶瓷材料,具备优异的力学和抗热震性能(在空气中加热至1000℃以上,再急剧骤冷急剧加热也不会碎裂),被认为是目前综合性能最好的陶瓷材料,已被广泛应用于冶金、宇航、能源、机械、军事技术、光学和玻璃工业等领域。

受制于”陶瓷通病”——脆性大

Si3N4是强共价键化合物,具有高的原子结合强度,表现出优异的综合性能。此外,由于共价键具有方向性和饱和性,由共价键组成的Si3N4陶瓷滑移系很少,通常在产生滑移前就发生断裂,导致Si3N4陶瓷表现出明显的脆性特点。

但是,Si3N4陶瓷的断裂韧性低,对材料内部的局部裂纹非常敏感,已成为Si3N4陶瓷的致命缺点,严重影响了其使用寿命和可靠性,极大限制了其应用范围。

原料粉体对其断裂韧性有影响吗?

由于Si3N4陶瓷的制备工艺主要以粉末为原料,经压坯、烧结后获得致密的陶瓷体。因此,Si3N4粉体的特征对烧结过程和最终性能起到至关重要的作用。Si3N4粉体主要有α- Si3N4相和β- Si3N4相两种。当粉体中β相含量>30vol.%时,在烧结溶解—再析出阶段的驱动力减少,氮化硅陶瓷致密化过程受到抑制;且陶瓷的显微结构主要由较细的等轴晶粒组成,不利于获得高断裂韧性。

使用α- Si3N4作为初始粉体更有利于制备高强度、高韧性的Si3N4陶瓷,因为α- Si3N4在液相烧结中发生溶解—再析出反应形成β- Si3N4,在后续晶粒粗化阶段中,β- Si3N4的各向异性生长会形成自增韧的显微结构,提高Si3N4陶瓷的致密度和韧性。

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在氧含量方面,韧性随着粉体氧含量降低而增大。这是因为使用表面氧含量较低的粉末烧结过程中产生的液相较少,导致核位点减少,晶核数目减少,晶粒形状由半轴状转化为长棒状,β- Si3N4拥有更高的长宽比,断裂韧性提高。

另外,碳含量较高的Si3N4粉末则会抑制氮化硅致密化过程。因为碳与Si3N4粉末表面的二氧化硅(SiO2)发生化学反应,形成CO和SiO等,抑制液相生成,从而不利于Si3N4致密化过程。

因此,Si3N4陶瓷原料粉体中的α相含量、氧含量和碳含量都会影响Si3N4烧结体的断裂韧性。选用高α相、低氧、低碳含量和合适比表面的Si3N4粉体是获得高断裂韧性Si3N4陶瓷的关键因素。

上硅聚力

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