氮化硅陶瓷的增韧方法与应用

前      言

氮化硅是一百多年前就已经发现的氮和硅的化合物，最早在德国合成，20世纪50年代才开始有应用。作为工程材料，到60年代受到重视。氮化硅是人工合成的物质，自然界尚未发现有天然存在的氮化硅。

氮化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、抗热震稳定性好、高温蠕变小、耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点，是优良的工程陶瓷之一。虽然氮化硅具有良好的性能，但是它也具有陶瓷的共性——脆性。脆性这一致命弱点，使其在应用中的可靠性得不到保障。因此改善其韧性，提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一个重要方向。

增韧方法

颗粒增韧颗粒增韧就是在Si₃N₄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。颗粒增韧与温度无关，可以作为高温增韧机制。但此法一般只能取得40%一70%的增韧效果，其增韧效果不明显。
相变增韧ZrO2相变增韧是将ZrO2颗粒弥散在Si₃N₄基体中，利用四方相向单斜相的应力诱发相变而产生5%左右的体积变化，可以抵消外加应力、阻止裂纹的扩展，达到增韧目的。

纤维增韧纤维增韧即利用C，SiC等长纤维对Si₃N₄陶瓷进行复合增韧，其机理主要是裂纹偏转或分叉、拔出效应和桥联效应。
自增韧自增韧就是通过调整材料组分和控制制备工艺条件使一部分Si₃N₄晶粒原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒，从而获得类似纤维增韧的种种机制，达到增韧的效果。

层状增韧近年来，国内外学者从生物界得到启示：贝壳具有的层状结构可以产生较大的韧性，因而可以从材料的宏观结构角度出发来设计新型材料即层状复合陶瓷材料。
碳纤维增韧

碳纤维由原料纤维高温烧成，经过了低温氧化、中温碳化、高温石墨化等工艺，具有强度高、模量高、密度低、耐高温、线胀系数小、热导率高等优点。作为补强增韧材料，它克服了其它增韧材料的缺点。 

碳纤维能否在氮化硅基体内起补强作用的先决条件首先要解决好碳纤维补强的实际效果，最终取决于烧结后碳纤维与氮化硅基体结合的程度。
碳纳米管增韧

理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。碳纳米管的力学性能优良，其强度约为钢100倍，密度却只有钢的1/6，且在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，被认为是未来的“超级纤维”。

碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的主要机制为纤维拔出机制。

氮化硅陶瓷的应用

1、航天军工领域

航空制造是制造业中高新技术最集中的领域，属于先进制造技术，是新材料、新工艺和新技术的佼佼者。以飞机的涡轮发动机为例，阐述航空制造中氮化硅的应用。

陶瓷氮化硅耐热，可在1400℃时仍然有高的强度、刚度（但超过1200℃时力学强度会下降），但比较脆，使用连续纤维增强的增强陶瓷可应用于涡轮部件，特别是小发动机的陶瓷叶片，涡轮外环和空气轴承。此外，氮化硅陶瓷比密度小，密度仅为钢轴承的41%，可有效降低飞机发动机重量，减低油耗。

2、机械工程领域

氮化硅陶瓷摩擦系数小，有自润滑性，强度高，热膨胀系数小，体积受温度变化小，有效防止球/密封环卡死，可制成轴承滚珠及机械密封环。

氮化硅强度大，可用于轴承制造，可承受严酷的工作环境，工作寿命也高于一般轴承，但制作成本也比较高。 

传统的阀门是金属材料，由于受金属材料自身限制，金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性、可靠性、使用寿命具有相当大的影响；一些应用于石油工业的金属阀门易受到化学腐蚀，失去工作能力。而氮化硅陶瓷优良的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温性，能够胜任这一领域。

3、超细研磨领域氮化硅硬度高，硬度仅次于金刚石，立方氮化硼。因其消耗非常低，降低了研磨介质的磨损及对研磨材料的污染，有利于获取更高纯度的超细粉体。

4、高性能机床切削刀具在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术。氮化硅刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍氮化硅具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并持续较长时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3倍以上。