碳化硅陶瓷增韧技术研究进展
2020-12-18 17:41:05
SiC(碳化硅)陶瓷因其具有优良的高温力学性能、高导热率、良好的抗热冲击性、耐化学腐蚀、低热膨胀系数及比重轻等性能，被广泛用于机械、化工、能源、航空航天及高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下的军事领域，也是固体火箭发动机喉衬、火箭鼻锥、陶瓷装甲等最有希望的候选材料之一。但由于其分子结构的键合特点，导致其塑性变形能力缺乏，表现为脆性，严重地影响了其作为结构材料的应用潜力。为此，陶瓷强化增韧便成了近年来陶瓷材料研究的核心问题。
到目前为止，在基体中引入第二相(如纳米颗粒、晶须、纤维等)及材料自身的纳米化等强化增韧手段已经取得了一定的效果，对各种的强化增韧机制也进行了较深入的研究。
图1碳化硅陶瓷(来源：网络)
一、碳化硅陶瓷的自增韧技术
通过引入添加剂或晶种来诱导等轴状晶粒异向生长成为如板状、棒状、长柱状形貌的晶粒来形成自增韧陶瓷在近十几年得到了广泛的研究。其增韧机制是类似于晶须对材料的裂纹桥联增韧、裂纹偏转和晶粒拔出效应，其中桥联增韧是主要增韧机制。其中，预加晶种的增韧方案在Si3N4陶瓷中应用较多。例如利用β- Si3N4晶粒的异向生长，以少量β- Si3N4晶种得到长柱状的β- Si3N4晶体而起到增韧作用。
二、表面改性技术增韧SiC陶瓷
陶瓷材料的脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果通过人为地预加应力，在陶瓷材料表面造成一层残余压应力层，就有可能起到增韧的作用。类似这种陶瓷韧化技术被称作为表面改性技术增韧。主要方法包括陶瓷表面的热处理以及表面涂层处理等方案。
三、颗粒弥散相增韧碳化硅陶瓷技术
采用第二相颗粒增韧陶瓷基复合材料是根据性能要求进行材料改性甚至于材料设计的一种有效手段，它的主要设计思路是探讨成分、组织与结构和性能的关系。
第二相颗粒的选择所遵循的原则包括：第二相颗粒与基体之间的化学相容性与共存性；与基体之间的物理匹配性与强化性；与界相之间的匹配性以及第二相颗粒的尺寸和数量等。
在第二相颗粒确定之后，此种添加剂的粒径与级配比例将是获得良好增韧性能的决定性因素。在工业生产中，采用颗粒弥散增韧陶瓷最具有大规模推广的可行性。其中颗粒增韧SiC复合材料，工艺简单，价格便宜，易于大规模生产和被市场接受。
四、纤维/晶须增韧SiC陶瓷
纤维/晶须强韧化是目前陶瓷增韧技术中效果最为显著的一种技术，它不仅能提高材料的韧性，而且大多数情况下还能同时提高材料的强度，因而具有巨大潜在应用前景。这种技术主要是利用高强度、高模量的陶瓷纤维或晶须与陶瓷基体构成陶瓷基复合材料，靠纤维桥联、裂纹偏转和纤维拔出等机制，从而达到提高陶瓷韧性和强度的目的。
图2纤维/晶须增韧机制示意图(来源：网络)
参考文献：
1、SiC 复相陶瓷的强化增韧趋势，西南科技大学材料科学与工程学院，熊昆，徐光亮，李冬梅，
2、碳纤维增韧碳化硅基复合材料制备技术的研究进展，中国煤炭科工集团唐山研究院1，河北省煤炭洗选工程技术研究中心2，天地科技股份有限公司唐山分公司3，周彪1,2,3，王兆申1,2,3，才影1,2,3，程会朝1,2,3
3、流体密封用碳化硅陶瓷增韧技术研究进展，宁波伏尔肯机械密封件制造有限公司，邬国平，谢方民，徐斌
：谷雨