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在氮化硅的制備過程當中，燒結(jié)助劑在陶瓷致密化過程中起到至關(guān)重要的作用。由于氮化硅陶瓷具有陶瓷脆性大的共性，限制了其在

各個領(lǐng)域的推廣運用，添加增強相是目前解決這一問題的關(guān)鍵。那么不同燒結(jié)助劑和增強相對氮化硅陶瓷的性能有怎樣的影響呢？

燒結(jié)助劑的影響

燒結(jié)助劑又稱助燒劑，在陶瓷中加入某些助燒劑來降低燒成溫度，起到幫助燒結(jié)的作用。通過燒結(jié)過程的產(chǎn)生的液相來加速晶粒的重排，

降低陶瓷的燒結(jié)溫度。另外，有些低熔點助燒劑在燒結(jié)過程中先形成液相促進燒結(jié)，而到燒結(jié)后期有助于最終相進入主晶相起摻雜改性作

用，即能起到降低燒結(jié)溫度的同時提高材料性能的“雙重效應”。
① 稀土氧化物燒結(jié)助劑
由于較高的熔點和控制α→β相變速率、晶粒生長各向異性和β-Si₃N₄晶粒的縱橫比，稀土氧化物燒結(jié)助劑被認為是Si₃N₄的理想添加劑。其

添加能夠提高氮化硅陶瓷的室溫和高溫性能，提高材料的可靠性和壽命。
② 金屬氧化物燒結(jié)助劑
氧化鎂是最早被選為金屬氧化物燒結(jié)助劑的材料，它能夠保障液相形成并制得高致密度的氮化硅陶瓷。氧化鎂和氮化硅表面的二氧化硅相

互作用形成液相，其具有四種成分Mg-Si-O-N的復雜結(jié)構(gòu)。在燒結(jié)過程中，這種液相在氮化硅晶界上形成較軟的玻璃相能明顯提高氮化硅

燒結(jié)性能，但其與二氧化硅形成的低共熔玻璃相在高溫下會出現(xiàn)晶界軟化變形使氮化硅的強度和韌度大幅下降，從而對氮化硅陶瓷的高溫性

能極為不利。
③ 稀土氧化物與金屬氧化物組成的復合燒結(jié)助劑

金屬氧化物和稀土氧化物都可以作為氮化硅陶瓷材料的燒結(jié)助劑。但是相較而言，稀土氧化物更有利于氮化硅陶瓷的燒結(jié)，不利影響因素

更少。為達到取長補短的目的，通常做法是采用金屬氧化物和稀土氧化物多組分燒結(jié)助劑來制備氮化硅陶瓷。

氮化硅陶瓷的脆性在一定程度上限制了它的應用范圍，因此提高氮化硅陶瓷的韌性一直以來都是氮化硅陶瓷材料研究的重要方向。陶瓷的

韌化有兩大類方法：一類是自增韌，它是由陶瓷在燒結(jié)或者熱處理過程中自發(fā)生長出具有增韌效果的晶粒來實現(xiàn)，例如棒狀β-Si₃N₄。另

一類是在混合粉料的過程中加入第二組元來達到增韌目的。目前氮化硅陶瓷增韌添加材料種類較多，主要包括碳納米管、石墨烯、晶須

碳化硅、顆粒碳化硅、氧化鋯顆粒、碳化鈦、β-Si₃N₄等。
① 石墨烯
石墨烯是目前已知的材料中強度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到

自身尺寸的20%，所以石墨烯增韌氮化硅陶瓷具有很大的研究意義。石墨烯所具有的優(yōu)異性能使其能夠作為一種增強相來實現(xiàn)材料性能上

的優(yōu)化。石墨烯在不同的陶瓷基體中均可達到明顯的補強增韌的效果，增韌方面的效果尤其突出，其強韌化機制主要包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分

支，石墨烯的橋聯(lián)、斷裂、拔出等。
由于氮化硅與石墨烯接觸面強度較弱，裂紋擴展到界面時，會沿著界面擴展，而不是沿著原來的路徑擴展。另外石墨烯是層狀材料，層與

層間的范德華力較弱，裂紋延伸到石墨烯表面時，裂紋會導致石墨烯層間分離，沿著石墨烯層間延伸，這樣的裂紋擴展方式延長了裂紋的

路徑，達到增韌的效果。
除了多層石墨烯增韌氮化硅陶瓷的抗壓強度比氮化硅陶瓷的高以外，其他的石墨烯(或石墨納米片)增韌的氮化硅陶瓷的抗壓強度都不如氮

化硅陶瓷本身高?？赡苁且驗樵跓Y(jié)過程中殘留的孔使得陶瓷強度下降。但是添加石墨烯之后，氮化硅陶瓷韌性增加，達到了較好的增韌

效果。
② 碳納米管
理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極好的韌性。碳納米管的力學性能優(yōu)良，其強度約為鋼的100倍，密度卻只有鋼的六分之一，

且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性，因此被譽為未來的“超級纖維”。由于具有極高的比強度、比楊氏模量，碳納米管被認

為是一種理想的先進復合材料增強體。
碳納米管對氮化硅陶瓷增韌的主要機制是纖維拔出機制。在微裂紋尖端，碳納米管對裂紋張開產(chǎn)生阻力，由于碳納米管的高彈性，在材料

斷裂時會分散一部分能量使得裂紋無法繼續(xù)擴展，由此達到提高氮化硅陶瓷韌性的效果。
硬度的變化是碳納米管的纖維增強，當碳納米管加入量低于1%時，氮化硅材料的致密度和纖維增強效果同時增加，所以硬度有所增加；

當碳納米管加入量接近2%時，氮化硅材料的致密度下降超過纖維增強的效果，碳納米管粘連現(xiàn)象嚴重，降低了纖維的長徑比，割斷了氮

化硅基體的連續(xù)性，使材料的硬度顯著降低。
雖然碳納米管增強氮化硅陶瓷效果最好，但其高昂的成本限制了材料的廣泛使用。
③ 碳纖維
碳纖維由原料纖維高溫燒成，經(jīng)過了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝，具有強度高、模量高、密度低、耐高溫、線脹系數(shù)小、熱

導率高等優(yōu)點。作為補強增韌材料，它克服了其它增韌材料的缺點。目前，國內(nèi)外不少專家已對碳纖維增韌陶瓷材料的方法進行了研究，

并取得了不少的成果，用它增韌的陶瓷材料已展示了良好的力學和物理性能。碳纖維作為第二相引入至氮化硅陶瓷基體中，可提升陶瓷的

力學性能。與氮化硅陶瓷相比，碳纖維/氮化硅復合陶瓷具有更低的摩擦系數(shù)，更高的耐磨性，更高的斷裂韌性。
④ 碳化硅
碳化硅具有高硬度、高熔點以及很好的抗蠕變性能，是一種極佳的氮化硅陶瓷增韌材料。目前國內(nèi)很多專家對碳化硅晶須增韌氮化硅陶瓷

進行了深入研究，并取得很好的成果。碳化硅增韌陶瓷材料技術(shù)相對比較成熟。

綜上分析對比，碳材料增強相的增韌效果十分明顯。隨著科學的發(fā)展，碳質(zhì)材料種類越來越多，由于碳材料良好的特性，再加上價格相對

比較低，存在量比較豐富等優(yōu)點，所以在未來的陶瓷增韌方面有重要的應用前景。