Si3N4陶瓷作为重要的结构陶瓷材料,具有良好的机械性能和抗热震性能(在空气中加热至1000℃以上,即使骤冷骤热也不会破裂)。被认为具有目前较好的综合性能,已广泛应用于冶金、航空航天、能源、机械、光学、玻璃工业等领域。
受“陶瓷通病”制约——脆性高
Si3N4是一种强共价键化合物,原子键强度高,综合性能良好。另外,由于共价键的方向性和饱和性,由共价键组成的Si3N4陶瓷中滑移系很少,通常在滑移发生之前就断裂,导致Si3N4陶瓷具有显着的脆性。
然而Si3N4陶瓷的断裂韧性低以及对材料内部局部裂纹的敏感性成为Si3N4陶瓷的致命缺点,严重影响其使用寿命和可靠性,极大地限制了其应用范围。
原料粉末对其断裂韧性有影响吗?
由于Si3N4陶瓷的制备过程主要以粉末为原料,经过压制、烧结后得到致密的陶瓷体。因此,Si3N4粉末的特性对烧结过程和性能起着至关重要的作用。 Si3N4粉末主要包括α-Si3N4相和β-Si3N4相两类。 当粉末中β相含量>30vol.%时,在烧结溶解再沉淀阶段,驱动力下降,氮化硅陶瓷的致密化过程受到抑制;而且陶瓷的显微组织主要由较细的等轴晶组成,不利于获得高的断裂韧性。
使用α-Si3N4作为初始粉末更有利于制备高强度和韧性的Si3N4陶瓷,因为α-在液相烧结过程中通过溶解沉淀反应形成Si3N4 β- Si3N4,在随后的晶粒粗化阶段,β- Si3N4的各向异性生长可以形成自增韧的微观结构,提高Si3N4陶瓷的密度和韧性。
就氧含量而言,韧性随着粉末的氧含量降低而增加。 这是因为使用表面氧含量低的粉末,在烧结过程中产生的液相较少,导致核位点减少,晶核数量减少,晶型由半轴状转变为轴状。 β-Si3N4 呈长棒状,具有更高的长径比和更高的断裂韧性。
另外,含碳量高的Si3N4粉末会抑制氮化硅的致密化过程。 因为碳与Si3N4粉末表面的二氧化硅(SiO2)反应生成CO和SiO,抑制了液相的形成,不利于Si3N4的致密化过程。
因此,Si3N4陶瓷原料粉末中的α相含量、氧含量、碳含量均影响Si3N4烧结体的断裂韧性。选择高α 获得高断裂韧性Si3N4陶瓷的关键因素是Si3N4粉末的物相、低氧、低碳含量和适当的比表面积。
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