前 言

氮化硅陶瓷材料在室溫和高溫下具有高強(qiáng)度、高韌性以及良好的耐磨性、抗熱震性、耐腐蝕和抗機(jī)械沖擊性，上述優(yōu)異的性能使氮化硅成為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，大量應(yīng)用于耐磨結(jié)構(gòu)件、切削刀具、高速陶瓷軸承等領(lǐng)域。然而，賦予氮化硅陶瓷高強(qiáng)度、高硬度等性能的共價(jià)鍵卻帶來了低擴(kuò)散系數(shù)不易燒結(jié)的問題，致使氮化硅陶瓷難以致密化。

目前，降低氮化硅燒結(jié)溫度和達(dá)到致密化的方式主要是添加助燒劑，或是通過施加壓力促進(jìn)粉體致密化。通過引入第二相增韌增強(qiáng)晶界玻璃相或阻止裂紋擴(kuò)展來提升氮化硅陶瓷性能的研究逐漸進(jìn)入人們視野。通過引入TiC、TiN與Si3N4的復(fù)合研究提高氮化硅陶瓷性能，TiC不僅能提高整體材料的性能，而且能夠影響氮化硅的晶粒生長和微觀形貌的變化，所以，TiC理論上是一種有增韌增強(qiáng)氮化硅的陶瓷材料的第二相。

近幾年，清華大學(xué)在國內(nèi)外率先開發(fā)出一種基于振蕩壓力的燒結(jié)新技術(shù)，采用振蕩壓力燒結(jié)工藝制備的Al2O3和ZrO2以及Al2O3/ZrO2復(fù)相陶瓷，相較其他燒結(jié)工藝在致密度和力學(xué)性能上有著明顯的提升，可見振蕩壓力燒結(jié)工藝有利于改善材料的微觀結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)材料力學(xué)性能的提升。研究了第二相TiC的加入對微觀形貌及界面結(jié)合性能的影響，以及氮化硅的微觀形貌在振蕩壓力工藝下的演變及其性能隨振蕩壓力爐燒結(jié)溫度的變化規(guī)律。

樣品制備

氮化硅粉體為一種商業(yè)用氮化硅粉，該粉體中α-Si3N4 的含量大于95% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，比表面積12m2/g，平均粒徑為0.4μm。選用的助燒劑有Y2O3(化學(xué)純)平均粒徑0.5–0.6μm、Al2O3(化學(xué)純)平均粒徑0.5–0.6μm和第二相TiC納米顆粒(純度＞99.99%)平均粒度0.5μm。

氮化硅陶瓷材料的配方包括90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氮化硅粉，3%Y2O3、4%Al2O3、3%TiC，把上述原料放入樹脂球磨罐中，再加入氮化硅研磨球和乙醇用行星磨進(jìn)行球磨6h。研磨好的漿料倒入搪瓷盤中，并放入溫度為60℃的烘箱里干燥。干燥后粉體的掃描電子顯微鏡照片和能譜分布圖如圖1所示。由圖1可以看出，添加劑均勻分散在α相氮化硅粉體中。將上述混合好的氮化硅粉料放入內(nèi)徑為100mm的石墨磨具中，將其放置在振蕩壓力燒結(jié)爐中采用8MPa的壓力下預(yù)壓粉體。此時(shí)設(shè)定相應(yīng)的燒結(jié)升溫速率和壓力程序(如圖2)，啟動(dòng)加熱程序后石墨模具內(nèi)的壓力升高至30MPa。爐內(nèi)溫度達(dá)到900℃時(shí)在真空的爐內(nèi)通入氮?dú)?，保證氮?dú)鈿夥铡．?dāng)溫度上升至1200℃以上升溫速率調(diào)節(jié)到10℃/min。當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，在恒定壓力30MPa的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)頻率為3Hz，5MPa的振蕩壓力，保持振蕩壓力直到保溫結(jié)束。保溫階段結(jié)束后，在溫度降至1100℃之前維持恒定壓力30MPa，1100℃后隨爐冷卻。本研究選擇4個(gè)燒結(jié)溫度點(diǎn)，分別為1700、1725、1750、1775℃。

樣品表征

1、物相組成

2、顯微結(jié)構(gòu)

3、力學(xué)與物理性能

結(jié) 論

1) 在振蕩壓力燒結(jié)條件下，氮化硅陶瓷試樣的晶粒長度和寬度都隨溫度的升高而逐漸增大，但燒結(jié)試樣的晶粒長徑比在1750℃開始下降。氮化硅燒結(jié)試樣基本在1725℃就已基本完成致密化。

2) TiC在高溫時(shí)化學(xué)性能活潑，在振蕩壓力燒結(jié)中(1750℃以上)TiC與N發(fā)生反應(yīng)生成了TiN或Ti(C/N)。而在最優(yōu)溫度1725 ℃時(shí)，TiC穩(wěn)定存在于氮化硅基體中，TiC能夠在氮化硅獲得最優(yōu)溫度下增強(qiáng)氮化硅陶瓷。

3) 燒結(jié)氮化硅陶瓷的力學(xué)性能與物理性能的變化曲線與晶粒長徑比演變規(guī)律是相一致的。性能最優(yōu)化的燒結(jié)溫度為1725℃，該燒結(jié)溫度下氮化硅晶粒長徑比為最大，燒結(jié)致密，其抗彎強(qiáng)度，Vickers硬度分別達(dá)到了(1421±59)MPa和(16.1±0.3)GPa。

文章來源：振蕩壓力燒結(jié)氮化硅陶瓷微觀形貌及其力學(xué)性能 秦笑威，盛利文，李 雙，謝志鵬 硅酸鹽學(xué)報(bào)Vol.48，No.6 June，2020