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氮化硅与碳的奇妙结合——氮化硅陶瓷的几大增韧方法


来源:中国粉体网   漫道

[导读]  脆性这一致命弱点,使氮化硅陶瓷在应用中的可靠性得不到保障。因此改善其韧性,提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一个重要方向。

氮化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷,具有强度高、抗热震稳定性好、高温蠕变小、耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点,是优良的工程陶瓷之一。因此它具有广泛的应用范围和开发前景,在高温结构材料、工具陶瓷材料、耐磨陶瓷材料和耐腐蚀陶瓷材料几个方面,氮化硅陶瓷具有极大的市场和应用潜力。

 



陶瓷的脆性

虽然氮化硅具有良好的性能,但是它也具有陶瓷的共性———脆性。氮化硅陶瓷是由离子键或共价键的晶粒构成的多晶烧结体。方向性极强的化学键性决定了陶瓷中的晶粒位错密度低、滑移系统少、裂纹生长的能量小。在断裂过程中,除了增加新的断裂表面能以外,几乎没有其它耗散能量的机制,从而导致强度较低、韧性不足等缺点。

 

脆性这一致命弱点,使其在应用中的可靠性得不到保障。因此改善其韧性,提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一个重要方向。

 

传统增韧方法

1.颗粒增韧

颗粒增韧就是在Si3N4材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒,如SiC,TiC、TiN等。颗粒增韧与温度无关,可以作为高温增韧机制。但此法一般只能取得40%一70%的增韧效果,其增韧效果不明显。

2.纤维增韧

纤维增韧即利用C,SiC等长纤维对Si3N4陶瓷进行复合增韧,其机理主要是裂纹偏转或分叉、拔出效应和桥联效应。

 

3.相变增韧

ZrO2相变增韧是将ZrO2颗粒弥散在Si3N4基体中,利用四方相向单斜相的应力诱发相变而产生5%左右的体积变化,可以抵消外加应力、阻止裂纹的扩展,达到增韧目的。

 

4.自增韧

自增韧就是通过调整材料组分和控制制备工艺条件使一部分Si3N4晶粒原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒,从而获得类似纤维增韧的种种机制,达到增韧的效果。

 

5.层状增韧

近年来,国内外学者从生物界得到启示:贝壳具有的层状结构可以产生较大的韧性,因而可以从材料的宏观结构角度出发来设计新型材料即层状复合陶瓷材料。

 

碳材料的增韧方法

近些年来随着碳材料的发展,出现一些新的碳同素异形体,如碳纳米管、富勒烯、石墨烯等,这些碳的新结构具有良好的弹性、柔韧性、高拉伸强度、良好导热性,将这些材料和氮化硅陶瓷粉体混合,能够制备较高韧性的氮化硅陶瓷。

 

碳纳米管增韧

理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。碳纳米管的力学性能优良,其强度约为钢100倍,密度却只有钢的1/6,且在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性,被认为是未来的“超级纤维”。

 

碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的主要机制为纤维拔出机制。



碳纳米管拔出桥接机制

 

郝云春等研究了碳纳米管的作用,他们认为碳纳米管一方面进入氮化硅陶瓷材料的孔隙,使复合材料的致密度提高;另一方面碳纳米管阻碍复合材料烧结时的融合,使致密度降低。

 

碳纳米管增韧需要解决的难题就是如何更好的将碳纳米管均匀的分散在氮化硅陶瓷中。主要可以采用以下方法将碳纳米管很好的分散在陶瓷基体中:1.碳纳米管表面氧化处理;2.添加表面活性剂。

 

碳纤维增韧

碳纤维由原料纤维高温烧成,经过了低温氧化、中温碳化、高温石墨化等工艺,具有强度高、模量高、密度低、耐高温、线胀系数小、热导率高等优点。作为补强增韧材料,它克服了其它增韧材料的缺点。



碳纤维/氮化硅显微形貌


 

碳纤维能否在氮化硅基体内起补强作用的先决条件首先要解决好碳纤维补强的实际效果,最终取决于烧结后碳纤维与氮化硅基体结合的程度。碳纤维在氮化硅基体中主要有以下三种排布方式:

(1)   单项排布



碳纤维单项排布

 

在断裂过程中纤维的断裂并非在同一裂纹平面,因而主裂纹沿纤维断裂的不同发生裂纹转向,导致其扩展路径增加而使裂纹表面积增加,进而使其扩展阻力增加来提高韧性。

 

单向排布长纤维陶瓷基复合材料的韧性来自于纤维拔出、纤维断裂和裂纹转向三方面的贡献。


 (2)   二维多项排布

该方法中的纤维排布有二种:一是将纤维编织成纤维布,浸渍陶瓷浆料后根据所需厚度将单层或若干层叠合在一起进行热压烧结成型。另一种是纤维分层单向排布,层间纤维方向成一定角度,可根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件。


 (3)   三维多项排布



碳纤维三维排布


 

这种编织物结构可通过调节纤维束的根数和股数,相临束间的间距,织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数进行设计,以达到最佳要求。在此基础上又发展了三相以上的多相编制纤维增强增韧形式。

 

其结构单元体积、空隙度及其分布均匀度将直接影响三向织物中基体的填充率和填充质量,最终影响复合材料的质量。

 

石墨烯增韧

石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料。石墨烯优异的性能,使其可作为复合材料中的添加相,实现材料的功能化和结构化。



石墨烯增韧示意图

 

在陶瓷基体中实现石墨烯的强韧作用主要取决于两个关键因素:一是石墨烯的分散,二是基体与石墨烯之间的界面结合。

 

石墨烯由于其平面形貌和层间相互作用,很容易发生层状堆积,因此石墨烯的有效分散对于复合材料力学性能的提高显得尤为重要。众多研究者在此方面进行了大量的研究,研究结果表明,采用不同的溶剂、添加表面活性剂或对石墨烯进行化学修饰等方法有利于提高石墨烯的分散性。

 

参考来源

豆鹏飞.碳材料增韧氮化硅陶瓷研究进展

赵世坤.碳纳米管增韧氮化硅陶瓷的研究

钟晶等. 碳化硅增强氮化硅陶瓷复合材料的制备与表征

鲁元等. 碳热还原-反应烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

(中国粉体网编辑/漫道)

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