中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氮化硅(Si₃N₄)陶瓷因具有良好的抗氧化性、高硬度、高強(qiáng)度、高韌性以及良好的電學(xué)和熱學(xué)性能，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料之一，被稱為“材料界的全能冠軍”。但Si₃N₄陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工過(guò)程中容易形成表面缺陷，極大地降低了Si₃N₄陶瓷的可靠性。

氮化硅陶瓷

當(dāng)使用金剛石工具對(duì)其加工成復(fù)雜的形狀時(shí)，不可避免地需要較高的加工成本。大量研究表明，以Si₃N₄為基體制備出的復(fù)合陶瓷能有效彌補(bǔ)單一Si₃N₄陶瓷的劣勢(shì)。BN陶瓷具有良好的電絕緣性、抗氧化性和抗腐蝕性，作為導(dǎo)熱絕緣材料有著很好的應(yīng)用前景，是近幾年來(lái)研究的熱點(diǎn)。基于弱邊界相的概念，可以通過(guò)引入氮化硼(BN)等層狀結(jié)構(gòu)分散劑來(lái)實(shí)現(xiàn)Si₃N₄陶瓷的易加工性。

Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的性能

早在20世紀(jì)90年代Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷材料就已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際中，如同時(shí)兼具耐熱性、抗沖擊性及高射頻透明度的高馬赫導(dǎo)彈天線罩。為適應(yīng)不斷嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的性能不斷深入研究。

1.Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的機(jī)械性能

優(yōu)異的機(jī)械加工性歸因于復(fù)合材料的準(zhǔn)塑性，大量研究表明，Si₃N₄/BN 復(fù)合陶瓷具有巨大的潛力。實(shí)驗(yàn)證明在不同燒結(jié)工藝下Si₃N₄/BN 復(fù)合陶瓷的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，由于BN相的力學(xué)性能較差，其加入導(dǎo)致Si₃N₄基陶瓷力學(xué)性能顯著降低。但隨BN含量升高，Si₃N₄/BN復(fù)合材料的可加工性能也大大提高。弱BN相的插入為復(fù)合材料提供了良好的可加工性，允許晶粒在加工過(guò)程中解離。

BN的加入雖然有效改善了復(fù)合陶瓷的機(jī)械性能，但與當(dāng)下現(xiàn)代化工業(yè)的應(yīng)用要求還有一定差距，且生產(chǎn)成本較大。結(jié)合新發(fā)展工藝，制備出高性能、持續(xù)性低成本的Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。

2.Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷介電性能

介電性能是透波材料的一個(gè)重要性能參數(shù)，直接影響其使用性能。因?yàn)镾i₃N₄具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的抗熱沖擊性和優(yōu)異的抗雨水侵蝕性，被認(rèn)為是透波材料應(yīng)用中最有前途的陶瓷材料之一，然而介電性能欠佳限制其應(yīng)用。而B(niǎo)N的加入可能會(huì)影響復(fù)合陶瓷的介電性能，許多學(xué)者對(duì)此已做過(guò)相應(yīng)研究。

BN的添加對(duì)Si₃N₄/BN陶瓷材料性能的影響

表中對(duì) BN 含量對(duì)復(fù)合陶瓷的性能比較可以看出，隨著B(niǎo)N的添加，復(fù)合陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出良好的介電性能，但力學(xué)性能大幅度下降。這是由于顯微組織細(xì)化增韌作用有限，而隨著大量低彈性模量的BN引入量的不斷增加導(dǎo)致陶瓷的斷裂韌性逐漸降低。

3.其他性能

近年來(lái)，對(duì)Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的研究較少，且主要局限于研究某一因素對(duì)復(fù)合陶瓷的力學(xué)、介電性、透波率、摩擦性能、可加工性等方面的影響，對(duì)其熱導(dǎo)率的影響的研究不多。任一鵬等人實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合陶瓷的主要物相組成為β-Si₃N₄和h-BN相，陶瓷晶粒呈現(xiàn)垂直于熱壓方向的定向排列，晶粒尺寸隨著B(niǎo)N含量的增加逐漸減小，而垂直和平行于熱壓方向的熱導(dǎo)率都隨BN添加量的增加先降低后升高。通過(guò)有限元法對(duì)各向異性系統(tǒng)中的BN晶粒大小對(duì)復(fù)合陶瓷瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的影響進(jìn)行計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)BN晶粒尺寸的減小降低了Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的各方向熱導(dǎo)率。此外，Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷還具有耐灼燒、微波吸收等其他性能。

Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的應(yīng)用

Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷憑借優(yōu)越的性能在高溫、熱震、燒蝕、侵蝕等極端環(huán)境下具有更廣泛的應(yīng)用。國(guó)外對(duì)于Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷研究較早，已成功應(yīng)用于天線罩的制備，并達(dá)到了實(shí)用水平；國(guó)內(nèi)不少學(xué)者在對(duì)Si₃N₄/BN復(fù)合材料也進(jìn)行了大量研究，并在各個(gè)領(lǐng)域有所進(jìn)展。

航天航空領(lǐng)域

氮化硅是航天航空領(lǐng)域最重要的熱結(jié)構(gòu)陶瓷之一，并且因其具有高強(qiáng)度、出色的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗熱沖擊性能以及良好的介電性能而被認(rèn)為是高溫天線罩的合適候選材料。然而單相陶瓷透波材料由于自身性能特點(diǎn)，在高溫下韌性和穩(wěn)定性不足，逐漸達(dá)不到高速飛行所面臨的更加惡劣的環(huán)境對(duì)天線罩材料的要求。因此通過(guò)引入第二相來(lái)結(jié)合各種陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，制備出增強(qiáng)增韌的陶瓷基透波復(fù)合材料。

采用Si₃N₄和BN制備的復(fù)合材料具有更穩(wěn)定的熱物理性能、較低的介電常數(shù)和優(yōu)良的力學(xué)性能，能承載高馬赫飛行條件下對(duì)天線罩材料的隔熱、承載要求。中科院上海硅酸鹽研究所將h-BN纖維添加到Si₃N₄陶瓷基體中，燒制出介電性能良好的天線罩材料。但對(duì)于高性能導(dǎo)彈、雷達(dá)而言，單純的復(fù)相陶瓷介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切仍然偏高。因此，進(jìn)一步降低Si₃N₄/BN透波材料的介電常數(shù)和介電損耗角正切是新型天線罩材料發(fā)展的重要方向。

氮化硅基材料作天線罩實(shí)例

由于，Si₃N₄基陶瓷天線罩的制造工藝涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)控制，需要嚴(yán)格的質(zhì)量管理和技術(shù)要求。同時(shí)，制造過(guò)程中還需要注意環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面的問(wèn)題，以保證生產(chǎn)過(guò)程的安全性和可持續(xù)性。因此到目前為止，有關(guān) Si₃N₄基陶瓷作為導(dǎo)彈天線罩的還處于研究階段。

其中，俄羅斯、日本、美國(guó)及歐盟都在霍爾推進(jìn)器用BN系列陶瓷通道材料研究方面開(kāi)展了大量工作，并在相關(guān)航天飛行器上獲得成功應(yīng)用。近些年，我國(guó)相關(guān)高校及科研院所也開(kāi)展了霍爾推進(jìn)器通道用材料及其構(gòu)件的研制，并對(duì)相關(guān)Si₃N₄/BN基復(fù)合陶瓷的性能進(jìn)行研究。

冶金領(lǐng)域

薄帶連鑄側(cè)封板材料經(jīng)歷了傳統(tǒng)耐火材料、熔融石英、氧化鋯等多種材質(zhì)后，現(xiàn)在已開(kāi)始使用h-BN復(fù)合陶瓷，主要利用了h-BN的高溫自潤(rùn)滑、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性能和高溫化學(xué)穩(wěn)定性良好、與鋼水等熔融金屬不浸潤(rùn)等優(yōu)良特性。而且h-BN是非碳質(zhì)化合物，對(duì)鋼液無(wú)二次污染和增碳作用，使h-BN成為側(cè)封板材料最有潛力的候選材料體系。

錢凡等人以Si粉、Si₃N₄粉、h-BN粉為原料，通過(guò)等靜壓成型，采用反應(yīng)燒結(jié)制備了Si₃N₄/h-BN復(fù)合材料，隨著h-BN加入量的提高，材料的強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)減小，當(dāng)w(h-BN)=30wt%時(shí)，試樣的抗熱震性能較好，能夠滿足現(xiàn)有薄帶連鑄生產(chǎn)的工況條件，有望成為熱壓h-BN的代替品。

Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷未來(lái)發(fā)展方向

目前的研究表明，BN通過(guò)各種燒結(jié)工藝加入到 Si₃N₄材料中，使得Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷具有良好的可加工性及透波性，從而制備出一種耐燒蝕、介電性能和抗熱震性能優(yōu)異的高溫透波陶瓷材料。但大量文獻(xiàn)指出，BN的加入也導(dǎo)致力學(xué)性能不足的缺陷。

結(jié)合Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷的性能優(yōu)化，需要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究：

●Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷燒結(jié)技術(shù)的機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要與當(dāng)下陶瓷材料的應(yīng)用需求相匹配，對(duì)SPS這類影響因素復(fù)雜的燒結(jié)工藝應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，為新一代Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷產(chǎn)品及其應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

●BN對(duì)復(fù)合陶瓷性能的影響結(jié)果不一，燒結(jié)助劑、燒結(jié)壓力等外界因素也會(huì)成為干擾因素，因此可通過(guò)改變顆粒級(jí)配、添加催化劑促進(jìn)晶須生長(zhǎng)等新方法實(shí)現(xiàn)Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷性能的可靠性。

●天線罩設(shè)計(jì)將適應(yīng)導(dǎo)彈性能提升，研究聚焦新制備工藝和復(fù)合材料，還需加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)低成本、高性能的Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷材料，以確保生產(chǎn)的可持續(xù)性。

●薄帶連鑄側(cè)封板材料隨著改性技術(shù)不斷進(jìn)步，將拓寬材料體系和制備路徑，降低成本。Si₃N₄/BN復(fù)合材料因其制備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越，成為側(cè)封板發(fā)展的重要方向。

參考來(lái)源：

于明：Si₃N_4f/BN-Si₃N₄陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能和熱震損傷行為

趙蕾等：Si₃N₄/BN復(fù)合陶瓷材料研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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