氮化硅陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有強(qiáng)度高、抗熱震穩(wěn)定性好、高溫蠕變小、耐磨、優(yōu)良的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，是優(yōu)良的工程陶瓷之一。因此它具有廣泛的應(yīng)用范圍和開發(fā)前景，在高溫結(jié)構(gòu)材料、工具陶瓷材料、耐磨陶瓷材料和耐腐蝕陶瓷材料幾個方面，氮化硅陶瓷具有極大的市場和應(yīng)用潛力。

陶瓷的脆性

雖然氮化硅具有良好的性能，但是它也具有陶瓷的共性———脆性。氮化硅陶瓷是由離子鍵或共價鍵的晶粒構(gòu)成的多晶燒結(jié)體。方向性極強(qiáng)的化學(xué)鍵性決定了陶瓷中的晶粒位錯密度低、滑移系統(tǒng)少、裂紋生長的能量小。在斷裂過程中，除了增加新的斷裂表面能以外，幾乎沒有其它耗散能量的機(jī)制，從而導(dǎo)致強(qiáng)度較低、韌性不足等缺點(diǎn)。

脆性這一致命弱點(diǎn)，使其在應(yīng)用中的可靠性得不到保障。因此改善其韌性，提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一個重要方向。

傳統(tǒng)增韌方法

1.顆粒增韌

顆粒增韌就是在Si₃N₄材料中加入一定粒度的具有高彈性模量的顆粒，如SiC,TiC、TiN等。顆粒增韌與溫度無關(guān)，可以作為高溫增韌機(jī)制。但此法一般只能取得40%一70%的增韌效果，其增韌效果不明顯。

2.纖維增韌

纖維增韌即利用C,SiC等長纖維對Si₃N₄陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌，其機(jī)理主要是裂紋偏轉(zhuǎn)或分叉、拔出效應(yīng)和橋聯(lián)效應(yīng)。

3.相變增韌

ZrO₂相變增韌是將ZrO₂顆粒彌散在Si₃N₄基體中，利用四方相向單斜相的應(yīng)力誘發(fā)相變而產(chǎn)生5%左右的體積變化，可以抵消外加應(yīng)力、阻止裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到增韌目的。

4.自增韌

自增韌就是通過調(diào)整材料組分和控制制備工藝條件使一部分Si₃N₄晶粒原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶粒，從而獲得類似纖維增韌的種種機(jī)制，達(dá)到增韌的效果。

5.層狀增韌

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從生物界得到啟示:貝殼具有的層狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的韌性，因而可以從材料的宏觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)來設(shè)計(jì)新型材料即層狀復(fù)合陶瓷材料。

碳材料的增韌方法

近些年來隨著碳材料的發(fā)展，出現(xiàn)一些新的碳同素異形體，如碳納米管、富勒烯、石墨烯等，這些碳的新結(jié)構(gòu)具有良好的彈性、柔韌性、高拉伸強(qiáng)度、良好導(dǎo)熱性，將這些材料和氮化硅陶瓷粉體混合，能夠制備較高韌性的氮化硅陶瓷。

碳納米管增韌

理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極好的韌性。碳納米管的力學(xué)性能優(yōu)良，其強(qiáng)度約為鋼１００倍，密度卻只有鋼的１／６，且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性，被認(rèn)為是未來的“超級纖維”。

碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料的主要機(jī)制為纖維拔出機(jī)制。

碳納米管拔出橋接機(jī)制

郝云春等研究了碳納米管的作用，他們認(rèn)為碳納米管一方面進(jìn)入氮化硅陶瓷材料的孔隙，使復(fù)合材料的致密度提高；另一方面碳納米管阻礙復(fù)合材料燒結(jié)時的融合，使致密度降低。

碳納米管增韌需要解決的難題就是如何更好的將碳納米管均勻的分散在氮化硅陶瓷中。主要可以采用以下方法將碳納米管很好的分散在陶瓷基體中：1.碳納米管表面氧化處理；2.添加表面活性劑。

碳纖維增韌

碳纖維由原料纖維高溫?zé)�成，�?jīng)過了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝，具有強(qiáng)度高、模量高、密度低、耐高溫、線脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。作為補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，它克服了其它增韌材料的缺點(diǎn)。

碳纖維/氮化硅顯微形貌

碳纖維能否在氮化硅基體內(nèi)起補(bǔ)強(qiáng)作用的先決條件首先要解決好碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)際效果，最終取決于燒結(jié)后碳纖維與氮化硅基體結(jié)合的程度。碳纖維在氮化硅基體中主要有以下三種排布方式：

（1）   單項(xiàng)排布

碳纖維單項(xiàng)排布

在斷裂過程中纖維的斷裂并非在同一裂紋平面，因而主裂紋沿纖維斷裂的不同發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致其擴(kuò)展路徑增加而使裂紋表面積增加，進(jìn)而使其擴(kuò)展阻力增加來提高韌性。

單向排布長纖維陶瓷基復(fù)合材料的韌性來自于纖維拔出、纖維斷裂和裂紋轉(zhuǎn)向三方面的貢獻(xiàn)。

 （2）   二維多項(xiàng)排布

該方法中的纖維排布有二種：一是將纖維編織成纖維布，浸漬陶瓷漿料后根據(jù)所需厚度將單層或若干層疊合在一起進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型。另一種是纖維分層單向排布，層間纖維方向成一定角度，可根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形狀的殼層狀構(gòu)件。

 （3）   三維多項(xiàng)排布

碳纖維三維排布

這種編織物結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)，相臨束間的間距，織物的體積密度以及纖維的總體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳要求。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了三相以上的多相編制纖維增強(qiáng)增韌形式。

其結(jié)構(gòu)單元體積、空隙度及其分布均勻度將直接影響三向織物中基體的填充率和填充質(zhì)量，最終影響復(fù)合材料的質(zhì)量。

石墨烯增韌

石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料。石墨烯優(yōu)異的性能，使其可作為復(fù)合材料中的添加相，實(shí)現(xiàn)材料的功能化和結(jié)構(gòu)化。

石墨烯增韌示意圖

在陶瓷基體中實(shí)現(xiàn)石墨烯的強(qiáng)韌作用主要取決于兩個關(guān)鍵因素：一是石墨烯的分散，二是基體與石墨烯之間的界面結(jié)合。

石墨烯由于其平面形貌和層間相互作用，很容易發(fā)生層狀堆積，因此石墨烯的有效分散對于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高顯得尤為重要。眾多研究者在此方面進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明，采用不同的溶劑、添加表面活性劑或?qū)κ�墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾等方法有利于提高石墨烯的分散性。

參考來源

豆鵬飛.碳材料增韌氮化硅陶瓷研究進(jìn)展

趙世坤.碳納米管增韌氮化硅陶瓷的研究

鐘晶等. 碳化硅增強(qiáng)氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備與表征

魯元等. 碳熱還原-反應(yīng)燒結(jié)法制備多孔氮化硅陶瓷

（中國粉體網(wǎng)編輯/漫道）

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