工程陶瓷 氮化硅陶瓷

1、工程陶瓷工程陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷汇报人：张加艳汇报人：张加艳一、氮化硅的发展历史一、氮化硅的发展历史1875年年Deville和和Wohler提出的提出的1910年年Weiss报道金属硅在氮器中加热到报道金属硅在氮器中加热到1320C时在其表面形成蓝白色涂层。时在其表面形成蓝白色涂层。在英国在英国20世纪世纪60年代对氮化硅进行了大量的研究，并且提出了氮化硅有两种年代对氮化硅进行了大量的研究，并且提出了氮化硅有两种晶型晶型1961年年Deeley将已合成的氮化硅粉中加入各种烧结剂静相热压，从而极大地将已合成的氮化硅粉中加入各种烧结剂静相热压，从而极大地降低了气孔率，提高了强度，观察到了降

2、低了气孔率，提高了强度，观察到了到到的转变。的转变。1971年美国制定陶瓷燃气机的详细计划，但随后发现实施的难度很大，热压年美国制定陶瓷燃气机的详细计划，但随后发现实施的难度很大，热压受形状的限制，难以压成形状复杂的部件。受形状的限制，难以压成形状复杂的部件。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷晶体结构氮化硅陶瓷晶体结构 Si3N4有两种晶形有两种晶形, - Si3N4是颗粒状结晶是颗粒状结晶体体, - Si3N4是针状结晶体是针状结晶体 。两者均属六方晶。两者均属六方晶系，都是由系，都是由SiN44-四面体共用顶角构成的三四面体共用顶角构成的三维空间网络。维空间网络。 在在1400-1600 加

3、热，加热， - Si3N4会转变为会转变为 - Si3N4 但不能说但不能说 - Si3N4 是高温型：是高温型：（1）低于相变温度合成的）低于相变温度合成的Si3N4中，两相都中，两相都有。有。（2）在气相反应中，在）在气相反应中，在1350-1450直接合成直接合成- Si3N4 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 （一）原料（一）原料Si3N4粉的生产方法粉的生产方法 1 、直接氮化法、直接氮化法 1300-1500C 3Si+2N2 Si3N4 优点：工艺流程简单，成本低。优点：工艺流程简单，成本低。 缺点：反应慢，需较高的反应温度和较长的反应时间，粒径分布缺点：反应慢，需较高的反应温度和较长的反应

4、时间，粒径分布较宽，而且产物需要进一步经过粉碎，磨细和纯化才能达到质量要求。较宽，而且产物需要进一步经过粉碎，磨细和纯化才能达到质量要求。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷粉末制备氮化硅陶瓷粉末制备2 、 SiO2还原氮化法还原氮化法 1300-1700C 3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO 特点：原料来源丰富，反映产物是疏松粉末，无需像硅粉氮化产物特点：原料来源丰富，反映产物是疏松粉末，无需像硅粉氮化产物那样需经粉碎处理，从而避免了杂质的重新引入，所以用该法制的粉末那样需经粉碎处理，从而避免了杂质的重新引入，所以用该法制的粉末粒型规整，粒度分布窄。并且粒型规整，粒度分布窄。并且 - S

5、i3N4含量高，但含碳和氧高，必须想含量高，但含碳和氧高，必须想办法除去多余的部分。办法除去多余的部分。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷粉末制备氮化硅陶瓷粉末制备3 、液相法、液相法 -30-70C SiCl4+6NH3Si(NH)2+4NH4Cl 1600C 3Si(NH)2 Si3N4+2NH3 它具有纯度高，粒径微细而且均匀，所以发展很快。它具有纯度高，粒径微细而且均匀，所以发展很快。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷粉末制备氮化硅陶瓷粉末制备4 、气相法、气相法 1400C 3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl 特点：可以获得均匀超细，最低颗粒尺寸小于特点：可以获得均匀超细，最低

6、颗粒尺寸小于10纳米的粉体。由纳米的粉体。由于反应中心区域与反应器之间被原料气隔离，污染小，能够获得于反应中心区域与反应器之间被原料气隔离，污染小，能够获得稳定质量的粉体。稳定质量的粉体。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷粉末制备氮化硅陶瓷粉末制备氮化硅陶瓷的制备方法氮化硅陶瓷的制备方法氮化硅陶瓷的烧结方法氮化硅陶瓷的烧结方法氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷它基于反应：它基于反应： 3Si(s)+2N2(g)= Si3N4 (s) 氮化反应的起始温度于氮化反应的起始温度于1100C, 然后逐渐升温至然后逐渐升温至1420C, 整个过程需要几整个过程需要几天天, 由于此反应是放热反应由于此反应是放热反应, 因

7、此升温速度要小心控制。一般在低于因此升温速度要小心控制。一般在低于1400C的温度下保温所得到的产物是的温度下保温所得到的产物是 - 、 - Si3N4 的混合物，具有的混合物，具有15-30%的气孔率。的气孔率。 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 高纯氮化硅粉在高纯氮化硅粉在1700C下热压液基本不发生收缩。氮化硅的烧结方下热压液基本不发生收缩。氮化硅的烧结方法主要有三种：反应烧结法，常规烧结法和热压烧结法。法主要有三种：反应烧结法，常规烧结法和热压烧结法。1 、反应烧结、反应烧结优点：不许添加额外的添加剂优点：不许添加额外的添加剂特点：高温下材料的强度不会明显降低特点：高温下材料的强度不会明显降低;产

8、品尺寸和形状不变，可以制得形状复杂的制品；产品尺寸和形状不变，可以制得形状复杂的制品；要把两个零件焊接时，只需将其连接在一起进行氮化。要把两个零件焊接时，只需将其连接在一起进行氮化。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷反应烧结中，影响产品质量的关键因素是控制反应温度。反应烧结中，影响产品质量的关键因素是控制反应温度。三步升温法最后将炉温升至硅的熔点以上，常称为超温氮化。三步升温法最后将炉温升至硅的熔点以上，常称为超温氮化。1 、反应烧结、反应烧结2、热压法。、热压法。 同时加温与单向加压，同时加温与单向加压，石墨模具中进行，石墨模具中进行， 温度在温度在 1650C -1850C压力为压力为 15-30MPa

9、保温时间保温时间 1-4h氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷预烧温度温度应选择在氮化反应预烧温度温度应选择在氮化反应SiSi3 3N N4 4 （12001200） 形成温度以上（形成温度以上（13001300）。）。在此温度下形成了在此温度下形成了MoSiMoSi2 2预烧过程原位形成预烧过程原位形成MoSiMoSi2 2 预烧的主要的目的在于预烧的主要的目的在于通过表面扩散使硅粉颗通过表面扩散使硅粉颗粒之间形成颈部，使硅粒之间形成颈部，使硅粉的坯体的强度增加以粉的坯体的强度增加以便机械加工。便机械加工。0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600600700800900100

10、0temperater（oC）strength (MPa) 对于热压试样的对于热压试样的SEMSEM图观察表明，试样中的颗粒较为均匀并有长柱形的图观察表明，试样中的颗粒较为均匀并有长柱形的- Si- Si3 3N N4 4， SiSi3 3N N4 4/MoSi/MoSi2 2复合材料在不同温度下的复合材料在不同温度下的 三点弯曲强度如右图。三点弯曲强度如右图。从右图中可以看出，在从右图中可以看出，在10001000以前随着温度的上升以前随着温度的上升 Si3N4/MoSi2复合材料复合材料的机械强度有所上升的机械强度有所上升30% 。但当温度升至。但当温度升至1100时强度下降时强度下降.氮

11、化硅陶瓷氮化硅陶瓷3、常压烧结、常压烧结 常压烧结实际上是一种液相烧结，在常压烧结中，氮化硅粉要常压烧结实际上是一种液相烧结，在常压烧结中，氮化硅粉要细，细， 相含量要高。相含量要高。 相含量高对热压和其它烧结工艺也是必需的，但对常压烧结更相含量高对热压和其它烧结工艺也是必需的，但对常压烧结更为重要。这是因为在烧结过程中为重要。这是因为在烧结过程中,相通过向液相的溶解，形成析相通过向液相的溶解，形成析出在出在 - Si3N4晶核上变为晶核上变为 - Si3N4 ，这一过程有利于烧结过程的，这一过程有利于烧结过程的进行。进行。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷4、重烧结。、重烧结。 这是将反应烧结和常压烧结结

12、合起来的烧结工艺。将反应烧结的这是将反应烧结和常压烧结结合起来的烧结工艺。将反应烧结的Si3N4烧结坯体在烧结助剂存在的情况下再在高温下重烧结，烧结助剂烧结坯体在烧结助剂存在的情况下再在高温下重烧结，烧结助剂可以在球磨硅粉引入，也可以用浸渍的方法在反应烧结后通过浸渍加可以在球磨硅粉引入，也可以用浸渍的方法在反应烧结后通过浸渍加入。加入量一般为入。加入量一般为4-15%为了抑制为了抑制Si3N4的分解，重烧结要在较高的氮气压力下进行，一般的分解，重烧结要在较高的氮气压力下进行，一般达几达几Mpa甚至甚至200MPa。产品性能可与热压产品相同或相近。产品性能可与热压产品相同或相近。氮化硅陶瓷氮化硅

13、陶瓷氮化硅烧结方法对比氮化硅烧结方法对比PS 重烧结重烧结RS 反应烧结反应烧结HP 热压烧结热压烧结PLS 常压烧结常压烧结GPS 气压烧结气压烧结氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究烧结氮化硅陶瓷时常常加入一定量的烧结助剂。这些烧结助剂同氮烧结氮化硅陶瓷时常常加入一定量的烧结助剂。这些烧结助剂同氮化硅中的微量杂质及氮化硅本身反应生成玻璃相晶界。化硅中的微量杂质及氮化硅本身反应生成玻璃相晶界。常用的烧结助剂：常用的烧结助剂：MgO Y2O3 Al2O3等。它们可以单独加入也可以混等。它们可以单独加入也可以混合加入。合加入。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷中氧氮化

14、物液相的形成氮化硅陶瓷中氧氮化物液相的形成最早在研究热压氮化硅时，人们并没有意识到每个氮化硅颗粒的表面被一最早在研究热压氮化硅时，人们并没有意识到每个氮化硅颗粒的表面被一层二氧化硅所包裹。在高温时氧化物添加剂与表层的二氧化硅及某些氮化硅层二氧化硅所包裹。在高温时氧化物添加剂与表层的二氧化硅及某些氮化硅反应形成氧氮化物的液相，此液相冷却时就成为晶界相。反应形成氧氮化物的液相，此液相冷却时就成为晶界相。不同添加剂形成的氧氮液相的差别甚大，经冷却后可能析晶也可能是玻璃不同添加剂形成的氧氮液相的差别甚大，经冷却后可能析晶也可能是玻璃相，添加剂的作用可以用下式来表示：相，添加剂的作用可以用下式来表示：S

15、i3N4SiO2MxOy ySi3N4MSiON相相加入加入MgO后的液相形成温度为后的液相形成温度为1390，加，加入入Y2O3后为后为1450，加入，加入Al2O3后其低共熔点为后其低共熔点为1470，若有其它添加剂存在则将进一步降低其低共熔点。，若有其它添加剂存在则将进一步降低其低共熔点。在烧结时收缩通常起始于液相形成温度，此后才发生在烧结时收缩通常起始于液相形成温度，此后才发生的相变，的相变，WestonWeston和和Carruthers(1973)Carruthers(1973)指出用指出用MgOMgO作添加剂热压时，在作添加剂热压时，在相变发生之前就能相变发生之前就能通过硅酸盐液

16、相的形成达到完全致密。通过硅酸盐液相的形成达到完全致密。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究相关系，显微结构及其对性能的影响相关系，显微结构及其对性能的影响添加剂，不管对致密化影响程度如何，其种类和含量正如方程式所示决添加剂，不管对致密化影响程度如何，其种类和含量正如方程式所示决定了晶界相的本性和含量，且影响高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。因此定了晶界相的本性和含量，且影响高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。因此，了解，了解MSiON和其它有关系统的相平衡甚为重要。相平衡知识可用和其它有关系统的相平衡甚为重要。相平衡知识可用来指导制备工艺、设计有利的显微结构和了解它们与

17、性能之间的关系。来指导制备工艺、设计有利的显微结构和了解它们与性能之间的关系。“晶界工程晶界工程”这一概念是指在氮化硅基材料中探索如何控制晶界结构和在晶这一概念是指在氮化硅基材料中探索如何控制晶界结构和在晶界上的反应。通过界上的反应。通过“晶界工程晶界工程”作为一条新途径，使氮化硅基材料得到了作为一条新途径，使氮化硅基材料得到了显著的发展。显著的发展。Gazza(1973,1975)的工作表明：高温性能的改善可以通过提高晶界玻璃的工作表明：高温性能的改善可以通过提高晶界玻璃相的软化点，为此相的软化点，为此Y2O3已被采用来代替已被采用来代替MgO作烧结添加剂。加入作烧结添加剂。加入Y2O3后后

18、，在晶界上易形成一种或多种的氧氮化钇硅（总共，在晶界上易形成一种或多种的氧氮化钇硅（总共4种晶相），晶相形成种晶相），晶相形成的容易程度取决于氮化硅粉表面的氧含量。的容易程度取决于氮化硅粉表面的氧含量。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究 提高高温强度除了需要将第二相析晶外，控制提高高温强度除了需要将第二相析晶外，控制Si3N4的晶粒形的晶粒形貌也甚为重要。含有纤维状貌也甚为重要。含有纤维状Si3N4的材料具有较高的强度的材料具有较高的强度2且断裂且断裂韧性也有所提高。晶界的变化能引起长径比的变化，但烧结时间的延韧性也有所提高。晶界的变化能引起长径比的变化，但烧

19、结时间的延长只是引起颗粒粗化。长径比的变化不仅与液相的体积有关，还与其长只是引起颗粒粗化。长径比的变化不仅与液相的体积有关，还与其和氮在液相中的溶解度有关。特别是使用稀土氧化物和氮在液相中的溶解度有关。特别是使用稀土氧化物（Nd2O3,Sm2O3,Dy2O3等）。它们通常与等）。它们通常与MgO一起添加，能使一起添加，能使Si3N4的颗粒具有高的长径比。这种显微结构特征对材料的力学性能有的颗粒具有高的长径比。这种显微结构特征对材料的力学性能有决定性的影响。决定性的影响。 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究 MgO

20、+SiO2=MgSiO3 3MgO+ Si3N4 =MgSiO3+2MgSiN2 3Y2O3+ Si3N4 =3Y2O3 Si3N4 2 Si3N4 +3Y2O3 Si3N4 =3Y2Si(Si2O3N4) Si3N4 +2Al2O3=4AlN+3SiO2 2 Si3N4 +10AlN+4Al2O3=3Si2Al6O4N6 5 Si3N4 +21SiO2+14Al2O3=4Si9Al7O21N5氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究氮化硅陶瓷的主要体系氮化硅陶瓷的主要体系 1、 Si3N4MgO系

21、系 加入的加入的MgO与存在于与存在于Si3N4粉末粉末表面的杂质表面的杂质SiO2反应，生成接近于反应，生成接近于顽火辉石组成的相。这种玻璃相起顽火辉石组成的相。这种玻璃相起着将着将Si3N4粒子的结合起来的粘结剂粒子的结合起来的粘结剂的作用。的作用。用高温用高温Si3N4粉加粉加MgO制得的热压制得的热压产品产品HS130,高温强度得到明显改高温强度得到明显改善，善，1200C强度才明显降低。强度才明显降低。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究Si3N4 -Al2O3系系在在Si3N4Al2O3系统中，部分硅和氮原子可同时被铝和氧原子置换系统中，部分硅和氮原

22、子可同时被铝和氧原子置换成固溶体并保持电中性。成固溶体并保持电中性。 这种固溶体结构与这种固溶体结构与Si3N4相同，其相同，其物理力学性能也与物理力学性能也与Si3N4相似，硬度，强度和导热系数少低于相似，硬度，强度和导热系数少低于Si3N4, 但韧性比但韧性比 Si3N4好。由于这种固溶体中存在大量好。由于这种固溶体中存在大量的的Al2O3 ，固熔量可达固熔量可达60-70%,所以化学性质接近于所以化学性质接近于 Al2O3 。这。这种固溶体被称为种固溶体被称为Sialon.称为赛龙陶瓷称为赛龙陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷三、氮化硅陶瓷助剂的研究三、氮化硅陶瓷助剂的研究3、 Si3N4 -Y2

23、O3系系Y2O3与与SiO2与与Si3N4在在1700开始反应形成复杂玻璃相。这些玻璃相起到开始反应形成复杂玻璃相。这些玻璃相起到黏结剂的作用，使黏结剂的作用，使Si3N4粒子烧结。粒子烧结。这种材料常温下强度可达这种材料常温下强度可达1000-1400MPa，1200时还有时还有1000MPaY2O3的添加量为的添加量为4%时密度最大时密度最大氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 目前，根据氮化硅陶瓷的不同功用，采取不同途径的补目前，根据氮化硅陶瓷的不同功用，采取不同途径的补强增韧方法。从显微结构来讲，有颗粒弥散增韧、晶须或纤强增韧方法。从显微结构来讲，有颗粒

24、弥散增韧、晶须或纤维增韧、相变增韧以及自增韧等；从宏观结构来讲，维增韧、相变增韧以及自增韧等；从宏观结构来讲，有层状结构复合增韧。有层状结构复合增韧。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 引入来增韧氮化硅陶瓷是最为常见的方法。这主要是利用引入来增韧氮化硅陶瓷是最为常见的方法。这主要是利用颗粒的膨胀系数大于氮化硅基体的膨胀系数，在基体中将产生切向残余颗粒的膨胀系数大于氮化硅基体的膨胀系数，在基体中将产生切向残余压应力。当拉应力作用于材料时，首先要用于抵消内在残余压应力，然压应力。当拉应力作用于材料时，首先要用于抵消内在残余压应力，然后再开始作为拉应力起作用，这称为

25、应力增韧。另外，膨胀系数差将在后再开始作为拉应力起作用，这称为应力增韧。另外，膨胀系数差将在基体中产生微裂纹，使产生破坏作用的裂纹扩展而产生偏转、分叉、能基体中产生微裂纹，使产生破坏作用的裂纹扩展而产生偏转、分叉、能量被消耗，结果减缓裂纹扩展速率，提高断裂韧性，这称之为微裂纹增量被消耗，结果减缓裂纹扩展速率，提高断裂韧性，这称之为微裂纹增韧。韧。 1、颗粒弥散增韧、颗粒弥散增韧 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 、晶须或纤维增韧、晶须或纤维增韧 为了有效提高复合材料的为了有效提高复合材料的韧性，就必须提高材料断裂时的吸韧性，就必须提高材料断裂时的吸能，但对于

26、脆性基体来说，只能增能，但对于脆性基体来说，只能增加断裂表面，即增加裂纹的扩展通加断裂表面，即增加裂纹的扩展通道。当把高弹性、高强度道。当把高弹性、高强度纤维或晶须加入到材料中，使裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维或晶须，发纤维或晶须加入到材料中，使裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维或晶须，发生纤维或晶须的拔出、脱粘和断裂，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生纤维或晶须的拔出、脱粘和断裂，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等，形成了复合材料新的吸能机制，使它的韧性大大提高。生偏转等，形成了复合材料新的吸能机制，使它的韧性大大提高。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 氮化

27、硅陶瓷氮化硅陶瓷四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3 3、 ZrO2的相变增韧的相变增韧 ZrO2增韧是通过四方相转变成单斜相实现的，它的增韧机理包增韧是通过四方相转变成单斜相实现的，它的增韧机理包括：应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧和表面强度化增韧等。括：应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧和表面强度化增韧等。 应力诱发相变增韧是部分应力诱发相变增韧是部分ZrO2粒子在冷却过程中，氮化硅基体粒子在冷却过程中，氮化硅基体对其有束缚力，不发生相变。当有外部应力时，这部分粒子束缚力对其有束缚力，不发生相变。当有外部应力时，这部分粒子束缚力被释放，发生相变，在

28、粒子附近产生微裂纹。另外，它还会产生膨被释放，发生相变，在粒子附近产生微裂纹。另外，它还会产生膨胀，对主裂纹起压抑作用，从而抵消部分裂纹的尖端应力。胀，对主裂纹起压抑作用，从而抵消部分裂纹的尖端应力。 四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 4 4、自增韧、自增韧 自增韧氮化硅陶瓷由于其独特的原自增韧氮化硅陶瓷由于其独特的原位晶须生长能力，力学性能和物理性能位晶须生长能力，力学性能和物理性能的良好结合，加上制作工艺简单，正成的良好结合，加上制作工艺简单，正成为提高氮化硅陶瓷断裂韧性的新途径。为提高氮化硅陶瓷断裂韧性的新途径。它是通过合理选择成分及工艺，使氮化它是

29、通过合理选择成分及工艺，使氮化硅陶瓷在烧结过程中培育出柱状的硅陶瓷在烧结过程中培育出柱状的氮氮化硅晶粒，因其有晶须的外形，故可以化硅晶粒，因其有晶须的外形，故可以具备晶须的种种增韧性能。具备晶须的种种增韧性能。 自增韧氮化硅陶瓷的实用自增韧氮化硅陶瓷的实用化需要高质量氮化硅粉末的生产，以及对氮化硅化需要高质量氮化硅粉末的生产，以及对氮化硅晶体生长、玻璃相的析晶、不同添加剂性能的作用机理等进行深入研究。晶体生长、玻璃相的析晶、不同添加剂性能的作用机理等进行深入研究。四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷、层状结构复合增韧、层状结构复合增韧 人们从生物界的贝壳具有层

30、状结构而能产生较大的韧性受到启发。人们从生物界的贝壳具有层状结构而能产生较大的韧性受到启发。 层状复合材料的关键技术问题有：（）材料各结构单元的强度、韧层状复合材料的关键技术问题有：（）材料各结构单元的强度、韧性优化；（）界面结合层的选择及结构单元的匹配。层状复合材料可分性优化；（）界面结合层的选择及结构单元的匹配。层状复合材料可分成两类：弱界面结合与强界面结合。成两类：弱界面结合与强界面结合。 弱界面结合的陶瓷材料的增韧机理，是每一层上都产生新的临界裂纹，弱界面结合的陶瓷材料的增韧机理，是每一层上都产生新的临界裂纹，这将需要很大能量，就是这部分能量产生了增韧效果。陶瓷材料虽有很高这将需要很大

31、能量，就是这部分能量产生了增韧效果。陶瓷材料虽有很高的强度，然而裂纹一旦达到临界裂纹尺寸而扩展，由于裂纹尖端的应力集的强度，然而裂纹一旦达到临界裂纹尺寸而扩展，由于裂纹尖端的应力集中，剩下的材料对阻止裂纹扩展的能力已很小。在层状结构材料中，裂纹中，剩下的材料对阻止裂纹扩展的能力已很小。在层状结构材料中，裂纹在层间发生偏转，消除了裂纹在下层中的应力集中。在层间发生偏转，消除了裂纹在下层中的应力集中。 四、氮化硅陶瓷的增韧补强四、氮化硅陶瓷的增韧补强 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用 1.2 氮化硅的性质氮化硅的性质 -Si3N4呈白色或灰白色疏松羊毛状或针状体

32、，呈白色或灰白色疏松羊毛状或针状体， -Si3N4颜色较颜色较深，深， 呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。氮化硅陶瓷外观呈灰白、呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。氮化硅陶瓷外观呈灰白、深灰色到黑色，其表面经抛光后有金属光泽。深灰色到黑色，其表面经抛光后有金属光泽。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷1 、氮化硅的力学性能取决于生产工艺、氮化硅的力学性能取决于生产工艺和组织状态。由于和组织状态。由于 - Si3N4晶粒呈长条晶粒呈长条状，因此随状，因此随 - Si3N4含量的增加，材料含量的增加，材料的强度和韧性都增加。而的强度

33、和韧性都增加。而相的含量氮相的含量氮化硅原粉中化硅原粉中相的增加而增加。所以原相的增加而增加。所以原粉中粉中相的含量愈高，材料的韧性也愈相的含量愈高，材料的韧性也愈高。高。五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷2、氮化硅的高温力学性能在很大程度上取决于晶界相。、氮化硅的高温力学性能在很大程度上取决于晶界相。为了改善烧结性能，得到致密的制品，往往要添加烧结助剂。为了改善烧结性能，得到致密的制品，往往要添加烧结助剂。这些烧结助剂在烧结时常常形成液相，冷却后呈玻璃态存在于晶界。这些烧结助剂在烧结时常常形成液相，冷却后呈玻璃态存在于晶界。晶界滑移对高温强度，蠕变和静态疲劳

34、中的缓慢裂纹长大都有很大晶界滑移对高温强度，蠕变和静态疲劳中的缓慢裂纹长大都有很大的影响。的影响。而晶界滑移速度同玻璃相的粘度和耐热性有关。为了提高氮化硅陶而晶界滑移速度同玻璃相的粘度和耐热性有关。为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界化进行了大量的研究工作，称之为瓷的高温性能，人们对玻璃晶界化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程晶界工程”。五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3 、氮化硅有优良的化学稳定性，除、氮化硅有优良的化学稳定性，除氢氟酸外，能耐所有的无机酸和部分氢氟酸外，能耐所

35、有的无机酸和部分碱液和盐腐蚀。对多数金属，合金融碱液和盐腐蚀。对多数金属，合金融体，特别是非金属溶体是稳定的。它体，特别是非金属溶体是稳定的。它的硬度高，仅次于金刚石，的硬度高，仅次于金刚石，CBN，B4C等少数几种超硬材料。等少数几种超硬材料。弹性模量高，摩擦系数小，弹性模量高，摩擦系数小， 0.02-0.07，抗热震性优良，氮化硅陶瓷具有高温抗热震性优良，氮化硅陶瓷具有高温抗氧化性好抗氧化性好,实际的应用温度达实际的应用温度达1200，与其它陶瓷相比具有较高的断裂韧性与其它陶瓷相比具有较高的断裂韧性3-9MPam1/2，陶瓷与耐热合陶瓷与耐热合金强度的比较金强度的比较五、氮化硅陶瓷性能及应

36、用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷有许多其他材料不可比拟的优良性质。它的密度低（理氮化硅陶瓷有许多其他材料不可比拟的优良性质。它的密度低（理论密度论密度3.1g/cm3），但机械性能良好，硬度可到），但机械性能良好，硬度可到9。熔点。熔点1900，热膨胀，热膨胀系数小（约系数小（约2.53.010-6 K-1），导热性能良好，因此具有良好的抗热震），导热性能良好，因此具有良好的抗热震性。氮化硅陶瓷的抗高温蠕变能力强，在空气中负荷软化点在性。氮化硅陶瓷的抗高温蠕变能力强，在空气中负荷软化点在1400以上，以上，热稳定性好，可在高温下长期使用。热稳定性好，可在高温下长期使用。

37、弹性模量弹性模量104（MPa）泊松比泊松比抗拉强度抗拉强度（MPa）抗弯强度抗弯强度（MPa）抗压强度抗压强度（MPa）反应烧结反应烧结氮化硅氮化硅14.7121.570.28898.1142.2117.7205.9233.4308.9五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的摩擦系数小且具有自润滑性，这是它的一个突出优点。氮化硅陶瓷的摩擦系数小且具有自润滑性，这是它的一个突出优点。氮化硅陶瓷开始对磨时滑动摩擦系数达到氮化硅陶瓷开始对磨时滑动摩擦系数达到1.01.5，经精密磨合后，摩，经精密磨合后，摩擦系数就大大降低，保持在擦系数就大大降低，保持在0.5

38、以下，所以氮化硅陶瓷被认为具有自润以下，所以氮化硅陶瓷被认为具有自润滑性。原因是，在压力作用下，摩擦表面微量分解形成薄薄的气膜，滑性。原因是，在压力作用下，摩擦表面微量分解形成薄薄的气膜，从而使摩擦面之间的滑动阻力减小，摩擦面的光洁度增加。从而使摩擦面之间的滑动阻力减小，摩擦面的光洁度增加。五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷五、氮化硅陶瓷性能及应用五、氮化硅陶瓷性能及应用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷(1) (1) 抗弯强度和断裂韧性抗弯强度和断裂韧性 Si3N4 Si3N4 陶瓷的抗弯强度一般已达陶瓷的抗弯强度一般已达900 - 1000MPa ,900 - 1000MPa ,据资料报道据资料报道, ,其强度其强度有的已高达有的已高达1500MPa . 1500MPa . Si3N4 Si3N4 陶瓷的疲劳强度比以往的陶瓷刀具高陶瓷