氮(dan)化硅(gui)是(shi)一百多年前(qian)就已經發現的(de)(de)(de)氮(dan)和硅(gui)的(de)(de)(de)化合物，最早在德國合成，20世(shi)紀50年代才開始有(you)應用。作為工程材料，到(dao)60年代受到(dao)重視。氮(dan)化硅(gui)是(shi)人工合成的(de)(de)(de)物質(zhi)，自然界(jie)尚未發現有(you)天(tian)然存(cun)在的(de)(de)(de)氮(dan)化硅(gui)。

　　氮(dan)化(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)作為一(yi)種(zhong)高(gao)溫結構(gou)陶(tao)瓷(ci)，具(ju)有強(qiang)度高(gao)、抗熱震穩定性(xing)(xing)好(hao)、高(gao)溫蠕變小(xiao)、耐磨、優良的(de)抗氧化(hua)(hua)性(xing)(xing)和化(hua)(hua)學(xue)穩定性(xing)(xing)高(gao)等特點，是(shi)優良的(de)工程陶(tao)瓷(ci)之(zhi)一(yi)。雖(sui)然氮(dan)化(hua)(hua)硅具(ju)有良好(hao)的(de)性(xing)(xing)能，但是(shi)它也具(ju)有陶(tao)瓷(ci)的(de)共(gong)性(xing)(xing)——脆(cui)性(xing)(xing)。脆(cui)性(xing)(xing)這一(yi)致(zhi)命(ming)弱點，使(shi)其在應(ying)用中的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)(xing)得不到保障。因此(ci)改(gai)善其韌性(xing)(xing)，提高(gao)其可(ke)靠(kao)性(xing)(xing)一(yi)直是(shi)氮(dan)化(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)研究的(de)一(yi)個重要方向。

增韌方法

顆粒增韌

　　顆(ke)粒(li)增韌(ren)(ren)就是在(zai)Si3N4材(cai)料(liao)中加入一(yi)定粒(li)度(du)的具有高彈性(xing)模量的顆(ke)粒(li)，如SiC,TiC、TiN等(deng)。顆(ke)粒(li)增韌(ren)(ren)與(yu)溫度(du)無(wu)關，可以(yi)作為高溫增韌(ren)(ren)機制。但此法一(yi)般只能(neng)取(qu)得40%一(yi)70%的增韌(ren)(ren)效果(guo)(guo)，其(qi)增韌(ren)(ren)效果(guo)(guo)不明顯(xian)。

相變增韌

　　ZrO2相(xiang)(xiang)變增(zeng)韌(ren)是將ZrO2顆粒(li)彌散(san)在Si3N4基體中，利用四方相(xiang)(xiang)向單斜相(xiang)(xiang)的(de)應力(li)誘(you)發(fa)相(xiang)(xiang)變而產生5%左右的(de)體積變化，可以抵消外加(jia)應力(li)、阻止裂紋(wen)的(de)擴展，達到增(zeng)韌(ren)目的(de)。

纖維增韌

　　纖維(wei)增韌(ren)即(ji)利用C,SiC等長纖維(wei)對Si3N4陶瓷進行復合增韌(ren)，其機理主要是裂紋偏轉或分叉、拔出(chu)效應和橋聯效應。

自增韌

　　自增(zeng)韌就是通過(guo)調整材料組(zu)分和控制制備工藝條件使一部(bu)分Si3N4晶(jing)粒(li)原位發育成具(ju)有較高長(chang)徑比(bi)的柱狀晶(jing)粒(li)，從而獲(huo)得類似(si)纖維增(zeng)韌的種種機制，達(da)到增(zeng)韌的效果(guo)。

層狀增韌

　　近年來，國(guo)內外學者(zhe)從生物(wu)界得到(dao)啟示:貝殼具有的層狀結(jie)構可以產(chan)生較大(da)的韌性(xing)，因而可以從材料的宏觀結(jie)構角度(du)出發(fa)來設計新型材料即層狀復(fu)合陶瓷材料。

碳纖維增韌

　　碳纖維(wei)(wei)由原(yuan)料纖維(wei)(wei)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)燒成，經過(guo)了(le)低(di)溫(wen)(wen)氧化、中溫(wen)(wen)碳化、高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)石墨化等工藝(yi)，具有強度高(gao)(gao)(gao)、模量高(gao)(gao)(gao)、密(mi)度低(di)、耐高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)、線(xian)脹系數小、熱導率高(gao)(gao)(gao)等優點。作(zuo)為(wei)補強增韌材料，它克服了(le)其它增韌材料的缺點。

　　碳纖(xian)維(wei)能否在氮(dan)化硅基體內起補強作用的先決條件首先要解(jie)決好碳纖(xian)維(wei)補強的實(shi)際效(xiao)果，最終取決于(yu)燒結后碳纖(xian)維(wei)與(yu)氮(dan)化硅基體結合的程度。

碳納米管增韌

　　理(li)論計算表明，碳(tan)納(na)米管具(ju)有(you)極高(gao)的(de)強度(du)和極好的(de)韌(ren)(ren)性。碳(tan)納(na)米管的(de)力學性能優(you)良，其強度(du)約(yue)為(wei)鋼(gang)100倍，密(mi)度(du)卻只(zhi)有(you)鋼(gang)的(de)1/6，且(qie)在垂直(zhi)于碳(tan)納(na)米管的(de)管軸(zhou)方向具(ju)有(you)極好的(de)韌(ren)(ren)性，被認為(wei)是未(wei)來的(de)“超級纖(xian)維”。

　　碳納米管(guan)增韌氮化硅(gui)陶瓷復合材料(liao)的主要機制(zhi)為纖維(wei)拔出機制(zhi)。

氮化硅陶瓷的應用

1、航天軍工領域

　　航空制(zhi)(zhi)造(zao)是制(zhi)(zhi)造(zao)業中(zhong)高新技術最集中(zhong)的(de)(de)領域，屬于先進制(zhi)(zhi)造(zao)技術，是新材料、新工藝和新技術的(de)(de)佼佼者。以飛機(ji)的(de)(de)渦輪發動機(ji)為(wei)例，闡述航空制(zhi)(zhi)造(zao)中(zhong)氮化硅的(de)(de)應用。

　　陶(tao)瓷(ci)氮(dan)(dan)化硅(gui)耐熱，可(ke)在1400℃時仍然有高的(de)(de)強度、剛度(但超過1200℃時力(li)學強度會下降)，但比較(jiao)脆，使用連續纖維(wei)增強的(de)(de)增強陶(tao)瓷(ci)可(ke)應用于(yu)渦(wo)輪(lun)部件，特別是小發(fa)動機的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)葉片，渦(wo)輪(lun)外環和空氣軸承。此外，氮(dan)(dan)化硅(gui)陶(tao)瓷(ci)比密度小，密度僅(jin)為鋼軸承的(de)(de)41%，可(ke)有效降低飛機發(fa)動機重(zhong)量，減(jian)低油(you)耗。

2、機械工程領域

　　氮化(hua)硅陶瓷摩擦系數小(xiao)，有自潤滑性，強度(du)高，熱膨脹系數小(xiao)，體積(ji)受溫度(du)變化(hua)小(xiao)，有效防止球(qiu)/密(mi)封環(huan)卡死，可(ke)制成軸(zhou)承滾珠及機械密(mi)封環(huan)。

　　氮化硅強度大(da)，可(ke)用(yong)于(yu)軸承(cheng)制(zhi)造(zao)，可(ke)承(cheng)受嚴酷的(de)工作環境，工作壽命也高于(yu)一般軸承(cheng)，但制(zhi)作成本也比較高。

　　傳統的(de)(de)(de)閥門(men)是金屬(shu)(shu)材料，由于受金屬(shu)(shu)材料自身限制，金屬(shu)(shu)的(de)(de)(de)腐蝕破壞(huai)對閥門(men)耐磨性(xing)、可靠性(xing)、使用壽命(ming)具有相(xiang)當大(da)的(de)(de)(de)影響;一些應用于石油(you)工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)閥門(men)易受到化學(xue)腐蝕，失去(qu)工(gong)作能力。而氮化硅陶瓷優良的(de)(de)(de)耐腐蝕性(xing)、耐磨性(xing)、抗高溫性(xing)，能夠(gou)勝任這(zhe)一領域。

3、超細研磨領域

　　氮化硅(gui)硬度(du)(du)高(gao)，硬度(du)(du)僅次于金剛石，立方氮化硼。因其消耗(hao)非(fei)常低(di)(di)，降低(di)(di)了研磨(mo)介質的磨(mo)損及對研磨(mo)材(cai)料的污染，有(you)利于獲取更高(gao)純度(du)(du)的超細(xi)粉體(ti)。

4、高性能機床切削刀具

　　在現代化加工(gong)過程中，提高加工(gong)效(xiao)率的最(zui)有(you)效(xiao)方法(fa)是采用高速(su)(su)切(qie)(qie)削(xue)加工(gong)技術(shu)。氮(dan)化硅(gui)刀(dao)具特別適合(he)(he)于鑄鐵、高溫(wen)合(he)(he)金的粗精加工(gong)、高速(su)(su)切(qie)(qie)削(xue)和重切(qie)(qie)削(xue)，其切(qie)(qie)削(xue)耐用度比硬質合(he)(he)金刀(dao)具高幾倍至十幾倍氮(dan)化硅(gui)具有(you)非(fei)常高的耐磨(mo)性，它比硬質合(he)(he)金有(you)更好的化學(xue)穩定性，可在高速(su)(su)條件下切(qie)(qie)削(xue)加工(gong)并持續(xu)較長時間，比用硬質合(he)(he)金刀(dao)具平均提高效(xiao)率3倍以上(shang)。

　　參考來源

　　趙(zhao)世坤.碳納(na)米管增(zeng)韌氮化硅陶瓷的研究

　　鐘晶等(deng). 碳化硅增強氮化硅陶瓷(ci)復合材料的(de)制備與表(biao)征

　　豆鵬(peng)飛.碳材(cai)料增韌(ren)氮(dan)化硅陶(tao)瓷研究進展

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