中國粉體網(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)使用金剛石工具對其加工成復(fù)雜的形狀時,，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)合陶瓷能有效彌補單一Si3N4陶瓷的劣勢,。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，是近幾年來研究的熱點,�,；谌踹吔缦嗟母拍睿梢酝ㄟ^引入氮化硼(BN)等層狀結(jié)構(gòu)分散劑來實現(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)用到實際中,，如同時兼具耐熱性、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,，國內(nèi)外學(xué)者對Si3N4/BN復(fù)合陶瓷的性能不斷深入研究。
1.Si3N4/BN復(fù)合陶瓷的機械性能
優(yōu)異的機械加工性歸因于復(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。實驗證明在不同燒結(jié)工藝下Si3N4/BN 復(fù)合陶瓷的斷裂韌性和彎曲強度進(jìn)行對比,，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，允許晶粒在加工過程中解離,。
BN的加入雖然有效改善了復(fù)合陶瓷的機械性能,，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)合陶瓷對實際應(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重要性能參數(shù),，直接影響其使用性能。因為Si3N4具有較高的機械強度,、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BN的加入可能會影響復(fù)合陶瓷的介電性能,，許多學(xué)者對此已做過相應(yīng)研究,。
BN的添加對Si3N4/BN陶瓷材料性能的影響
表中對 BN 含量對復(fù)合陶瓷的性能比較可以看出,，隨著BN的添加，復(fù)合陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗呈下降趨勢,，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,，對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,，對其熱導(dǎo)率的影響的研究不多。任一鵬等人實驗證明,，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BN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,。通過有限元法對各向異性系統(tǒng)中的BN晶粒大小對復(fù)合陶瓷瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的影響進(jìn)行計算模擬，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,。國外對于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)到了實用水平,；國內(nèi)不少學(xué)者在對Si3N4/BN復(fù)合材料也進(jìn)行了大量研究，并在各個領(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，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)境對天線罩材料的要求,。因此通過引入第二相來結(jié)合各種陶瓷材料的優(yōu)點，制備出增強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例
由于，Si3N4基陶瓷天線罩的制造工藝涉及多個環(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，制造過程中還需要注意環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面的問題,，以保證生產(chǎn)過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,，我國相關(guān)高校及科研院所也開展了霍爾推進(jìn)器通道用材料及其構(gòu)件的研制,，并對相關(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)在已開始使用h-BN復(fù)合陶瓷,，主要利用了h-BN的高溫自潤滑,、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等優(yōu)良特性,。而且h-BN是非碳質(zhì)化合物，對鋼液無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,，材料的強度、彈性模量,、熱膨脹系數(shù)減小,，當(dāng)w(h-BN)=30wt%時，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)合陶瓷未來發(fā)展方向
目前的研究表明,，BN通過各種燒結(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,，需要從以下幾點進(jìn)行重點研究：
●Si3N4/BN復(fù)合陶瓷燒結(jié)技術(shù)的機理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計需要與當(dāng)下陶瓷材料的應(yīng)用需求相匹配，對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成為干擾因素,，因此可通過改變顆粒級配、添加催化劑促進(jìn)晶須生長等新方法實現(xiàn)Si3N4/BN復(fù)合陶瓷性能的可靠性,。
●天線罩設(shè)計將適應(yīng)導(dǎo)彈性能提升,，研究聚焦新制備工藝和復(fù)合材料，還需加強基礎(chǔ)研究,，開發(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)合材料因其制備簡單,、性能優(yōu)越，成為側(cè)封板發(fā)展的重要方向,。
參考來源：
于明：Si3N4f/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
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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