影響氮化硅陶瓷斷裂韌性的因素有哪些
氮化硅(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、機械、軍事技術(shù)、光學和玻璃工業(yè)等領(lǐng)域。Si3N4是強共價鍵化合物,具有高的原子結(jié)合強度,表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。此外,由于共價鍵具有方向性和飽和性,由共價鍵組成的Si3N4陶瓷滑移系很少,通常在產(chǎn)生滑移前就發(fā)生斷裂,導致Si3N4陶瓷表現(xiàn)出明顯的脆性特點。
氮化硅(Si3N4)陶瓷的斷裂韌性低,對材料內(nèi)部的局部裂紋非常敏感,已成為氮化硅(Si3N4)陶瓷的致命缺點, 嚴重影響了其使用壽命和可靠性,極大限制了其應(yīng)用范圍。那么影響氮化硅(Si3N4)陶瓷斷裂韌性的因素有哪些呢?
一,原料粉體對斷裂韌性的影響
1.氮化硅(Si3N4)粉體對斷裂韌性的影響
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粉體的特征對燒結(jié)過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。當粉體中β相含量>30vol.%.時,在燒結(jié)溶解—再析出階段的驅(qū)動力減少,氮化硅陶瓷致密化過程受到抑制;且陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)主要由較細的等軸晶粒組成,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度、高韌性的Si3N4陶瓷,因為α-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 的各向異性生長會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)助劑對氮化硅(Si3N4)陶瓷韌性影響
Si3N4是一種強共價鍵化合物,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)過程中, 燒結(jié)助劑通過與氮化硅表面的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Si3N4陶瓷韌性會產(chǎn)生不一樣的影響。
燒結(jié)過程中Si3N4陶瓷α→β相變速率、晶粒的生長和長徑比、晶間相都會受到稀土燒結(jié)助劑RE2O3的影響。因此,通過控制燒結(jié)助劑的種類和含量來制備高斷裂韌性的Si3N4陶瓷是一種可行的方法。
二,制備工藝對氮化硅(Si3N4)陶瓷韌性影響
1.燒結(jié)工藝對Si3N4陶瓷韌性影響
熱壓燒結(jié)(Hot Pressing Sintering, HPS)是一種在燒結(jié)過程中施加機械壓力的燒結(jié)方法,機械 壓力能增加燒結(jié)驅(qū)動力,對于Si3N4共價鍵難燒 結(jié)陶瓷在添加少量燒結(jié)助劑的情況下也能達到 致密效果,是一種有效的致密化燒結(jié)方法。通過熱壓燒結(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陶瓷在高溫燒結(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,Si3N4陶瓷迅速致密,促進α→β的轉(zhuǎn)變。
放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering, SPS)是綜合壓力場、溫度場和電流場的快速燒結(jié)技術(shù),能有效提高燒結(jié)升溫速率,縮短燒結(jié)時間。
除上述燒結(jié)方式外,燒結(jié)溫度、升溫速率等工藝都會對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韌的Si3N4陶瓷,但在實際生產(chǎn)中還需考慮成本、 制件結(jié)構(gòu)和周期等問題。因此,根據(jù)實際情況制 定合理的燒結(jié)工藝是制備高強韌的Si3N4陶瓷關(guān)鍵的一步。
2.Si3N4陶瓷織構(gòu)化對斷裂韌性的影響
β-Si3N4具有獨特的長棒狀結(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,熱壓法是通過熱壓燒結(jié)實現(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陶瓷首先通過普通燒結(jié)(無壓、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,在高溫燒結(jié)中施加單向壓力,使坯體中無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坯體進行成型,再在熱壓爐燒結(jié)過程中施加單軸壓力,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晶種在坯體成型過程中就已經(jīng)形成定向排列,在燒結(jié)過程中,β-Si3N4晶種長大,最終形成織構(gòu)化Si3N4陶瓷。
強磁場法是指利用強磁場對漿料中的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)速都會對Si3N4陶瓷織構(gòu)化產(chǎn)生影響。但是,磁場法需要的設(shè)備昂貴,目前多用于 制備高熱導Si3N4陶瓷,但只停留在實驗室階段。
文章來源:
高韌性氮化硅陶瓷研究進展-鄒文勁,楊 平,呂東霖,褚駱靖