编号：CYYJ04488
篇名： 气压烧结Si3N4陶瓷的组织结构与力学性能研究
作者： 邹文华
关键词： Si3N4陶瓷; 气压烧结; 第一性原理; 力学性能; 微观增韧机制;
机构：哈尔滨工业大学
摘要： Si3N4陶瓷具有优异的高强度、高硬度、耐高温和耐磨性,是当前综合性能最突出的结构陶瓷之一,尤其适用于在极端工况下工作的高端轴承部件。然而,Si3N4自身相对于金属较低的断裂韧性,使其在承受冲击载荷及复杂应力时易发生脆性失效,成为限制其在航空发动机等高端领域推广应用的主要瓶颈。因此,实现致密度和强韧性等性能的共同提升,是当前Si3N4陶瓷研究中的关键难点和发展方向。 本文以商业化α-Si3N4为原料,结合第一性原理计算与实验研究,围绕烧结助剂体系与气压烧结工艺的协同优化,系统探讨了Si3N4陶瓷显微结构演化与力学性能提升的机制。通过密度泛函理论分析La、Gd、Y、Lu等稀土元素在β-Si3N4晶面上的吸附行为,揭示其对晶粒取向生长与长径比调控的作用;实验层面构建氟化物与氧化物两类典型助剂体系,采用单步/两步法气压烧结的方式制备Si3N4陶瓷,评估助剂成分与预烧温度对致密化行为、晶粒形貌及强韧性能的影响规律。 首先,基于密度泛函理论构建了β-Si3N4的主生长面（0001）与棱柱面（101~0）的表面模型,并研究了La、Gd、Y、Lu等稀土离子在不同晶面上的吸附行为及其对应的表面能变化规律。计算结果表明,这些稀土元素在（0001）晶面上的吸附稳定性普遍优于棱柱面,且随着离子半径的增大,其在（0001）面的吸附能降低,表明更容易稳定吸附。在四种元素中,La元素在β-Si3N4（0001）晶面的吸附能力最强,Y次之,显示出对主生长面更强的吸附倾向性,从而在一定程度上影响晶粒沿c轴方向的生长速率,有助于形成高长径比的棒状晶粒形貌。 其次,采用气压烧结工艺,分别以氟化物（MgF2、YF3、LaF3）与氧化物（MgO、La2O3）作为烧结助剂,研究其对Si3N4陶瓷致密化、相组成与显微结构演化的影响。实验发现,氟化物助剂同样具有一定的液相润湿能力,可促进颗粒重排与晶粒生长,并且可以有效消除晶格氧。然而,F元素在高温下易挥发,导致气孔残留与显微结构不均,限制了材料致密度和力学性能提升。氧化物助剂体系表现出较高的烧结活性,当MgO与La2O3的摩尔含量相同时,可实现致密化和显著的力学性能提升。该体系制得的Si3N4陶瓷相对密度高达99%,抗弯强度达到1009 MPa,断裂韧性提升至12.29MPa·m1/2。显微结构分析表明,MgO-La2O3烧结助剂体系制备的Si3N4陶瓷中广泛存在亚宏观的层状撕裂结构和微米级粗细晶互嵌的自增韧形貌,这种组织特征使裂纹在传播过程中受晶粒取向与晶界阻力限制而发生三维偏转,有效提高了初始断裂强度和裂纹扩展所需能量,从而实现了强度和韧性的共同提升。 最终,引入两步法气压烧结工艺,通过设置预烧阶段（1400-1600°C）与高温致密化阶段（1900°C）,研究其对不同助剂体系烧结行为的影响规律。结果表明,在氟化物助剂体系中,于1400°C进行预烧可在实现初步致密化的同时促进合适β-Si3N4晶种的形成,最终制备出相对密度达96%、抗弯强度为759MPa、断裂韧性为10.21MPa·m1/2的高致密陶瓷,显微结构呈现典型的双峰晶粒分布。而在烧结活性较高的氧化物助剂体系中,预烧阶段反而诱发晶粒过度生长与孔隙形成,且在后续高温烧结阶段难以消除,导致致密度下降至90%,抗弯强度降至458MPa,断裂韧性降至9.33MPa·m1/2。