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在氮化硅的制備過(guò)程當(dāng)中，燒結(jié)助劑在陶瓷致密化過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。由于氮化硅陶瓷具有陶瓷脆性大的共性，限制了其在

各個(gè)領(lǐng)域的推廣運(yùn)用，添加增強(qiáng)相是目前解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。那么不同燒結(jié)助劑和增強(qiáng)相對(duì)氮化硅陶瓷的性能有怎樣的影響呢？

燒結(jié)助劑的影響

燒結(jié)助劑又稱(chēng)助燒劑，在陶瓷中加入某些助燒劑來(lái)降低燒成溫度，起到幫助燒結(jié)的作用。通過(guò)燒結(jié)過(guò)程的產(chǎn)生的液相來(lái)加速晶粒的重排，

降低陶瓷的燒結(jié)溫度。另外，有些低熔點(diǎn)助燒劑在燒結(jié)過(guò)程中先形成液相促進(jìn)燒結(jié)，而到燒結(jié)后期有助于最終相進(jìn)入主晶相起摻雜改性作

用，即能起到降低燒結(jié)溫度的同時(shí)提高材料性能的“雙重效應(yīng)”。
① 稀土氧化物燒結(jié)助劑
由于較高的熔點(diǎn)和控制α→β相變速率、晶粒生長(zhǎng)各向異性和β-Si₃N₄晶粒的縱橫比，稀土氧化物燒結(jié)助劑被認(rèn)為是Si₃N₄的理想添加劑。其

添加能夠提高氮化硅陶瓷的室溫和高溫性能，提高材料的可靠性和壽命。
② 金屬氧化物燒結(jié)助劑
氧化鎂是最早被選為金屬氧化物燒結(jié)助劑的材料，它能夠保障液相形成并制得高致密度的氮化硅陶瓷。氧化鎂和氮化硅表面的二氧化硅相

互作用形成液相，其具有四種成分Mg-Si-O-N的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在燒結(jié)過(guò)程中，這種液相在氮化硅晶界上形成較軟的玻璃相能明顯提高氮化硅

燒結(jié)性能，但其與二氧化硅形成的低共熔玻璃相在高溫下會(huì)出現(xiàn)晶界軟化變形使氮化硅的強(qiáng)度和韌度大幅下降，從而對(duì)氮化硅陶瓷的高溫性

能極為不利。
③ 稀土氧化物與金屬氧化物組成的復(fù)合燒結(jié)助劑

金屬氧化物和稀土氧化物都可以作為氮化硅陶瓷材料的燒結(jié)助劑。但是相較而言，稀土氧化物更有利于氮化硅陶瓷的燒結(jié)，不利影響因素

更少。為達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的，通常做法是采用金屬氧化物和稀土氧化物多組分燒結(jié)助劑來(lái)制備氮化硅陶瓷。

氮化硅陶瓷的脆性在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍，因此提高氮化硅陶瓷的韌性一直以來(lái)都是氮化硅陶瓷材料研究的重要方向。陶瓷的

韌化有兩大類(lèi)方法：一類(lèi)是自增韌，它是由陶瓷在燒結(jié)或者熱處理過(guò)程中自發(fā)生長(zhǎng)出具有增韌效果的晶粒來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如棒狀β-Si₃N₄。另

一類(lèi)是在混合粉料的過(guò)程中加入第二組元來(lái)達(dá)到增韌目的。目前氮化硅陶瓷增韌添加材料種類(lèi)較多，主要包括碳納米管、石墨烯、晶須

碳化硅、顆粒碳化硅、氧化鋯顆粒、碳化鈦、β-Si₃N₄等。
① 石墨烯
石墨烯是目前已知的材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到

自身尺寸的20%，所以石墨烯增韌氮化硅陶瓷具有很大的研究意義。石墨烯所具有的優(yōu)異性能使其能夠作為一種增強(qiáng)相來(lái)實(shí)現(xiàn)材料性能上

的優(yōu)化。石墨烯在不同的陶瓷基體中均可達(dá)到明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果，增韌方面的效果尤其突出，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分

支，石墨烯的橋聯(lián)、斷裂、拔出等。
由于氮化硅與石墨烯接觸面強(qiáng)度較弱，裂紋擴(kuò)展到界面時(shí)，會(huì)沿著界面擴(kuò)展，而不是沿著原來(lái)的路徑擴(kuò)展。另外石墨烯是層狀材料，層與

層間的范德華力較弱，裂紋延伸到石墨烯表面時(shí)，裂紋會(huì)導(dǎo)致石墨烯層間分離，沿著石墨烯層間延伸，這樣的裂紋擴(kuò)展方式延長(zhǎng)了裂紋的

路徑，達(dá)到增韌的效果。
除了多層石墨烯增韌氮化硅陶瓷的抗壓強(qiáng)度比氮化硅陶瓷的高以外，其他的石墨烯(或石墨納米片)增韌的氮化硅陶瓷的抗壓強(qiáng)度都不如氮

化硅陶瓷本身高。可能是因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中殘留的孔使得陶瓷強(qiáng)度下降。但是添加石墨烯之后，氮化硅陶瓷韌性增加，達(dá)到了較好的增韌

效果。
② 碳納米管
理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極好的韌性。碳納米管的力學(xué)性能優(yōu)良，其強(qiáng)度約為鋼的100倍，密度卻只有鋼的六分之一，

且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性，因此被譽(yù)為未來(lái)的“超級(jí)纖維”。由于具有極高的比強(qiáng)度、比楊氏模量，碳納米管被認(rèn)

為是一種理想的先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)體。
碳納米管對(duì)氮化硅陶瓷增韌的主要機(jī)制是纖維拔出機(jī)制。在微裂紋尖端，碳納米管對(duì)裂紋張開(kāi)產(chǎn)生阻力，由于碳納米管的高彈性，在材料

斷裂時(shí)會(huì)分散一部分能量使得裂紋無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)展，由此達(dá)到提高氮化硅陶瓷韌性的效果。
硬度的變化是碳納米管的纖維增強(qiáng)，當(dāng)碳納米管加入量低于1%時(shí)，氮化硅材料的致密度和纖維增強(qiáng)效果同時(shí)增加，所以硬度有所增加；

當(dāng)碳納米管加入量接近2%時(shí)，氮化硅材料的致密度下降超過(guò)纖維增強(qiáng)的效果，碳納米管粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了纖維的長(zhǎng)徑比，割斷了氮

化硅基體的連續(xù)性，使材料的硬度顯著降低。
雖然碳納米管增強(qiáng)氮化硅陶瓷效果最好，但其高昂的成本限制了材料的廣泛使用。
③ 碳纖維
碳纖維由原料纖維高溫?zé)桑?jīng)過(guò)了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝，具有強(qiáng)度高、模量高、密度低、耐高溫、線(xiàn)脹系數(shù)小、熱

導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。作為補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，它克服了其它增韌材料的缺點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外不少專(zhuān)家已對(duì)碳纖維增韌陶瓷材料的方法進(jìn)行了研究，

并取得了不少的成果，用它增韌的陶瓷材料已展示了良好的力學(xué)和物理性能。碳纖維作為第二相引入至氮化硅陶瓷基體中，可提升陶瓷的

力學(xué)性能。與氮化硅陶瓷相比，碳纖維/氮化硅復(fù)合陶瓷具有更低的摩擦系數(shù)，更高的耐磨性，更高的斷裂韌性。
④ 碳化硅
碳化硅具有高硬度、高熔點(diǎn)以及很好的抗蠕變性能，是一種極佳的氮化硅陶瓷增韌材料。目前國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家對(duì)碳化硅晶須增韌氮化硅陶瓷

進(jìn)行了深入研究，并取得很好的成果。碳化硅增韌陶瓷材料技術(shù)相對(duì)比較成熟。

綜上分析對(duì)比，碳材料增強(qiáng)相的增韌效果十分明顯。隨著科學(xué)的發(fā)展，碳質(zhì)材料種類(lèi)越來(lái)越多，由于碳材料良好的特性，再加上價(jià)格相對(duì)

比較低，存在量比較豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以在未來(lái)的陶瓷增韌方面有重要的應(yīng)用前景。