Si3N4陶瓷斷裂韌性受哪些因素影響

Si3N4陶瓷作為一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具備優(yōu)異的力學(xué)和抗熱震性能(在空氣中加熱至1000℃以上，再急劇驟冷急劇加熱也不會(huì)碎裂)。由于Si3N4具備優(yōu)異的綜合性能，已被廣泛應(yīng)用于冶金、宇航、能源、機(jī)械、軍事技術(shù)、光學(xué)和玻璃工業(yè)等領(lǐng)域。Si3N4是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，具有高的原子結(jié)合強(qiáng)度，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。此外，由于共價(jià)鍵具有方向性和飽和性，由共價(jià)鍵組成的Si3N4陶瓷滑移系很少，通常在產(chǎn)生滑移前就發(fā)生斷裂，導(dǎo)致Si3N4陶瓷表現(xiàn)出明顯的脆性特點(diǎn)。

Si3N4陶瓷的斷裂韌性低，對(duì)材料內(nèi)部的局部裂紋非常敏感，已成為Si3N4陶瓷的致命缺點(diǎn)， 嚴(yán)重影響了其使用壽命和可靠性，極大限制了其應(yīng)用范圍。那么影響Si3N4陶瓷斷裂韌性的因素有哪些呢？

     原料粉體對(duì)斷裂韌性的影響

     1.Si3N4粉體對(duì)斷裂韌性的影響

由于Si3N4陶瓷的制備工藝主要以粉末為原料，經(jīng)壓坯、燒結(jié)后獲得致密的陶瓷體。因此，Si3N4粉體的特征對(duì)燒結(jié)過(guò)程和最終性能起到至關(guān)重要的作用。Si3N4粉體主要有α-Si3N4相和β-Si3N4相兩種。當(dāng)粉體中β相含量>30vol.%.時(shí)，在燒結(jié)溶解—再析出階段的驅(qū)動(dòng)力減少，氮化硅陶瓷致密化過(guò)程受到抑制；且陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)主要由較細(xì)的等軸晶粒組成，不利于獲得高斷裂韌性。使用α-Si3N4作為初始粉體更有利于制備高強(qiáng)度、高韌性的Si3N4陶瓷，因?yàn)棣?Si3N4在液相燒結(jié)中發(fā)生溶解—再析出反應(yīng)形成β-Si3N4，在后續(xù)晶粒粗化階段中，β-Si3N4 的各向異性生長(zhǎng)會(huì)形成自增韌的顯微結(jié)構(gòu)，提高Si3N4陶瓷的致密度和韌性。

Si3N4陶瓷原料粉體中的α相含量、氧含量和碳含量都會(huì)影響Si3N4燒結(jié)體的斷裂韌性。此外，采用不同方法制備的Si3N4粉體具有不同的比表面積，對(duì)Si3N4陶瓷的最終性能也有一定的影響。因此，選用高α相、低氧、低碳含量和合適比表面的Si3N4粉體是獲得高斷裂韌性Si3N4陶瓷的關(guān)鍵因素。

2.燒結(jié)助劑對(duì)Si3N4陶瓷韌性影響

Si3N4是一種強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，需要引入燒結(jié)助劑形成液相燒結(jié)才能致密。在液相燒結(jié)過(guò)程中， 燒結(jié)助劑通過(guò)與氮化硅表面的SiO2反應(yīng)形成液相，而不同種類的燒結(jié)助劑形成的液相、粘度不同，形成的晶粒大小和分布以及晶界相有所差異，對(duì)Si3N4陶瓷韌性會(huì)產(chǎn)生不一樣的影響。

燒結(jié)過(guò)程中Si3N4陶瓷α→β相變速率、晶粒的生長(zhǎng)和長(zhǎng)徑比、晶間相都會(huì)受到稀土燒結(jié)助劑RE2O3的影響。因此，通過(guò)控制燒結(jié)助劑的種類和含量來(lái)制備高斷裂韌性的Si3N4陶瓷是一種可行的方法。

制備工藝對(duì)Si3N4陶瓷韌性影響

1.燒結(jié)工藝對(duì)Si3N4陶瓷韌性影響

熱壓燒結(jié)(Hot Pressing Sintering, HPS)是一種在燒結(jié)過(guò)程中施加機(jī)械壓力的燒結(jié)方法，機(jī)械 壓力能增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于Si3N4共價(jià)鍵難燒 結(jié)陶瓷在添加少量燒結(jié)助劑的情況下也能達(dá)到 致密效果，是一種有效的致密化燒結(jié)方法。通過(guò)熱壓燒結(jié)的Si3N4陶瓷斷裂韌性一般在6 MPa·m1/2～7MPa·m1/2。

氣壓燒結(jié)(Gas Pressure Sintering, GPS) 是指Si3N4陶瓷在高溫?zé)Y(jié)中通入1MPa～10MPa氣體(N2, Ar2)壓力，在高溫高壓環(huán)境下能有效抑制 Si3N4陶瓷分解。同時(shí)，Si3N4陶瓷迅速致密，促進(jìn)α→β的轉(zhuǎn)變。

放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering, SPS)是綜合壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電流場(chǎng)的快速燒結(jié)技術(shù)，能有效提高燒結(jié)升溫速率，縮短燒結(jié)時(shí)間。

除上述燒結(jié)方式外，燒結(jié)溫度、升溫速率等工藝都會(huì)對(duì)Si3N4斷裂韌性產(chǎn)生影響。不同的燒結(jié)工藝都可以制備出高強(qiáng)韌的Si3N4陶瓷，但在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮成本、 制件結(jié)構(gòu)和周期等問(wèn)題。因此，根據(jù)實(shí)際情況制 定合理的燒結(jié)工藝是制備高強(qiáng)韌的Si3N4陶瓷關(guān)鍵的一步。

2.Si3N4陶瓷織構(gòu)化對(duì)斷裂韌性的影響

β-Si3N4具有獨(dú)特的長(zhǎng)棒狀結(jié)構(gòu)，在平行和垂直于c軸方向上的表面性能都存在各向異性，如下圖所示。

在外界施加一定的力和磁場(chǎng)可使其在c軸方向上產(chǎn)生定向排列，在保證了Si3N4陶瓷原有性能的基礎(chǔ)上還能使沿c軸方向的性能增加。目前，制備織構(gòu)化Si3N4陶瓷主要有三種方法：熱加工法、模板晶粒法和磁場(chǎng)法。

 熱加工法包括熱壓法、熱鍛法和燒結(jié)—鍛造法。如上文所述，熱壓法是通過(guò)熱壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷織構(gòu)化。這里主要介紹熱鍛法和燒結(jié)—鍛造法。在熱鍛法中，Si3N4陶瓷首先通過(guò)普通燒結(jié)(無(wú)壓、氣壓燒結(jié)等)獲得一定的晶粒尺寸和致密度， 然后將坯體置于熱壓爐中，在高溫?zé)Y(jié)中施加單向壓力，使坯體中無(wú)序排列的晶粒定向排列。燒結(jié)—鍛造法是基于熱鍛法提出的織構(gòu)化方法，利用干壓和冷等靜壓對(duì)坯體進(jìn)行成型，再在熱壓爐燒結(jié)過(guò)程中施加單軸壓力，最終可獲得織構(gòu)化陶瓷。

模板晶粒法是指在原料粉體中加入β-Si3N4晶種，利用擠出成型和流延成型工藝使β-Si3N4晶種在坯體成型過(guò)程中就已經(jīng)形成定向排列，在燒結(jié)過(guò)程中，β-Si3N4晶種長(zhǎng)大，最終形成織構(gòu)化Si3N4陶瓷。

強(qiáng)磁場(chǎng)法是指利用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)漿料中的Si3N4晶粒定向排列。有研究指出磁通密度、漿料 的流變性和轉(zhuǎn)速都會(huì)對(duì)Si3N4陶瓷織構(gòu)化產(chǎn)生影響。但是，磁場(chǎng)法需要的設(shè)備昂貴，目前多用于 制備高熱導(dǎo)Si3N4陶瓷，但只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。更多（Si3N4）氮化硅陶瓷基板相關(guān)問(wèn)題咨詢金瑞欣特種電路。

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高韌性氮化硅陶瓷研究進(jìn)展-鄒文勁，楊 平，呂東霖，褚駱靖