中國粉體網(wǎng)訊 晶須是在人工控制條件下合成的一種高強(qiáng)度須狀的單晶體。其晶體結(jié)構(gòu)比較完整，內(nèi)部缺陷少，其強(qiáng)度和模量均接近理想晶體。因此，晶須常作為增強(qiáng)組分加到金屬基體、陶瓷基體和高分子基體中起增強(qiáng)、增韌作用。
以往關(guān)于碳化硅晶須的研究較多。碳化硅晶須的強(qiáng)度和模量確實(shí)優(yōu)于氮化硅晶須，但Si3N4晶須比SiC具有更優(yōu)良的耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、低膨脹和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是增強(qiáng)金屬和陶瓷材料的理想增強(qiáng)組元。
氮化硅晶須結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
氮化硅晶須有2種晶型：α-Si3N4和β-Si3N4。兩者都屬六方晶系。一般認(rèn)為α-Si3N4屬低溫穩(wěn)定晶型，β-Si3N4屬高溫穩(wěn)定晶型。在氮化硅晶須生長的過程中，有研究表明其生長具有方向性，且α-Si3N4和β-Si3N4有所差異。α-Si3N4晶須可沿<10-10>、<10-11>和<0001>方向生長。其中沿<10-10>方向生長α-Si3N4晶須的一側(cè)有大量的微小結(jié)晶體；生長方向?yàn)?lt;10-11>α-Si3N4晶須的一側(cè)有大量的復(fù)合面缺陷；生長方向?yàn)?lt;0001>的α-Si3N4晶須的中間有芯，兩側(cè)有平行于（0001）面的缺陷。β-Si3N4晶須的生長方向?yàn)?lt;10-10>，且晶須中幾乎觀察不到任何缺陷。
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物化性能
與碳化硅晶須相比，氮化硅晶須具較高的強(qiáng)度，通常其拉伸強(qiáng)度可達(dá)13.8GPa，是碳化硅晶須的5倍。還具有高彈性模量（390GPa）、低膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。用氮化硅晶須作為增強(qiáng)體時(shí)，晶須性能及要求因基體的不同而不同。
氮化硅晶須的制備方法
氮化硅晶須制備方法有氣相法、液相法、固相法，常用的方法有直接氮化法、化學(xué)氣相沉積法、碳熱還原法、鹵化硅氣相氨分解法、自蔓延法等�？梢圆捎玫入x子體氣相反應(yīng)法制備的無定型氮化硅超細(xì)粉末為原料，通過在1450℃氮?dú)鈿夥障拢?h熱處理，使無定型的氮化硅轉(zhuǎn)化為α相氮化硅，并生長出α-Si3N4晶須。也有研究者采用二氧化碳和石墨為原料分別在1200～1300℃和1250～1400℃流動氮?dú)庵兄苽淞甩?Si3N4晶須和β-Si3N4晶須。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)α-Si3N4晶須表面光滑，有大量缺陷，且有很多分叉晶須；但β-Si3N4晶須的表面光滑，看不到缺陷，分叉的晶須也很少。
晶須生長的影響因素
1、溫度
溫度升高有利于提高晶體的轉(zhuǎn)化率。產(chǎn)物在1400℃時(shí)兩相共存，在1850℃時(shí)只有β相。另外，伴隨著溫度的升高，氮化硅晶體由線狀變?yōu)殚L柱狀。
2、添加劑
添加劑的選擇及用量對于提高氮化率、轉(zhuǎn)化率、晶須生長具有明顯的影響。添加劑的使用有利于晶須的制備，但用量過多會使產(chǎn)物純度降低；用量過少又不足以實(shí)現(xiàn)完全氮化。
3、晶須生長中的保護(hù)氣氛
采用自蔓延高溫合成法，指出α-Si3N4的生成與氣態(tài)反應(yīng)有關(guān)，尤其與氣態(tài)的一氧化硅和氮?dú)獾姆磻?yīng)有關(guān)。在普通氮?dú)庵校猩倭康碾s質(zhì)氧和水蒸氣，少量氧有利于SiO的生成，少量水蒸氣有利于SiO的氮化，因此普通氮?dú)庵笑料嗪勘雀呒兊獨(dú)庵懈�。而另有研究者發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣氛，由于雜質(zhì)氧引入時(shí)的生長出的晶須出現(xiàn)大量的缺陷。當(dāng)采用氨氣作保護(hù)氣氛時(shí)，由于氨氣會首先與氧反應(yīng)，進(jìn)而保護(hù)了氮化硅，使生長的晶須光滑，無明顯的缺陷。
4、晶須生長中液相的影響
晶須生長中存在的液相，對晶須的生長行為及組成都有直接的關(guān)系，可通過控制液滴的尺寸、組成，來控制晶須的直徑和性能。一般認(rèn)為，對液滴的控制可以自然引入(即從制備晶須的設(shè)備中獲得)、從原料中引入和通過氣相引入的方法。
氮化硅晶須的應(yīng)用現(xiàn)狀
晶須強(qiáng)化增韌被認(rèn)為是解決材料高溫韌性的有效方法，既保持了基體材料的主要特色，又通過晶須改善了基體的性能，而且與連續(xù)纖維強(qiáng)化增韌相比，晶須增韌的工藝更為簡單，因此，各種先進(jìn)復(fù)合材料對晶須的需要量不斷增加。用氮化硅晶須作為增強(qiáng)體時(shí)，與碳化硅晶須增強(qiáng)陶瓷晶須陶瓷基復(fù)合材料相類似，復(fù)合材料的性能會因基體的不同而不同，相應(yīng)也就有了不同的用途，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械加工與制造等領(lǐng)域中。
氮化硅晶須增強(qiáng)熔融石英材料的性能。發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)后的熔融石英材料的熱膨脹系數(shù)小，具有良好的抗熱震性，且熱震后的強(qiáng)度較高。但同時(shí)又有研究表明氮化硅晶須和石英玻璃在高溫下易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使基體嚴(yán)重破壞，妨礙了該材料在高溫下的使用。
氮化硅晶須增韌碳化硅陶瓷復(fù)合材料中，既保留了碳化硅陶瓷優(yōu)良的耐高溫、抗蠕變、抗氧化、抗化學(xué)腐蝕、耐磨等性能，又具有比碳化硅陶瓷更高的強(qiáng)度和韌性，最高使用溫度可達(dá)1400℃以上，且二者有良好的物理相容性，化學(xué)性質(zhì)相近，界面的結(jié)合力較強(qiáng)。
氮化硅晶須增韌氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷及玻璃等其他基體的復(fù)合材料時(shí)，其性能都不同程度的得到了改善。氮化硅晶須補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷，由于增強(qiáng)體與基體的同質(zhì)性，使兩者具有很好的物理和化學(xué)相容性，使材料的復(fù)合性能得到較好的發(fā)揮。
晶須作為一種新型的增強(qiáng)材料，由于其優(yōu)良的性能在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。晶須的生長機(jī)理研究還不完善，制備技術(shù)也有待進(jìn)一步研究，以提高晶須的產(chǎn)率，適應(yīng)商品化生產(chǎn)的要求。同時(shí)，生產(chǎn)成本也是關(guān)注的熱點(diǎn)，可從選擇廉價(jià)的原料入手，促進(jìn)技術(shù)更新，從而充分利用資源，促進(jìn)晶須增韌復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。
參考來源:
[1]李甫.氮化硅晶須結(jié)構(gòu)性能研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀
[2]王煥磊等.氮化硅晶須的研究現(xiàn)狀
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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