新型結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷，氮化硅基多孔陶瓷

氮化硅（Si₃N₄）基多孔陶瓷是在研究Si₃N₄陶瓷和多孔陶瓷的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展的一種新型的“結(jié)構(gòu)-功能”一體化的陶瓷材料，因其充分發(fā)揮氮化硅陶瓷和多孔陶瓷兩者的優(yōu)異性能而受到廣泛關(guān)注。但是，作為結(jié)構(gòu)陶瓷，不僅要滿足常溫下的使用條件，更重的是在高溫下也能滿足其應(yīng)用，這就要求它具有較好的高溫力學(xué)性能和較高的高溫可靠性。

制備方法

主要有部分燒結(jié)法、碳熱還原法、凝膠鑄模法、部分熱壓法、添加造孔劑法、冷凍干燥法等。

由于氮化硅晶體是由Si-N強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合起來的，在不添加燒結(jié)助劑的情況下很難將氮化硅陶瓷燒結(jié)，單添加燒結(jié)助劑會(huì)在氮化硅晶界處形成低共熔玻璃相。隨著溫度升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，在外力作用下將產(chǎn)生晶界滑移，導(dǎo)致亞臨界裂紋擴(kuò)展從而使高溫強(qiáng)度降低。

為提高氮化硅基多孔陶瓷的高溫強(qiáng)度，常用的方法有晶界玻璃相重結(jié)晶法和尋找合適的燒結(jié)助劑提高玻璃相轉(zhuǎn)變溫度。

磷酸鋯（ZrP）結(jié)合氮化硅(Si₃N₄)多孔陶瓷

采用高溫?zé)o機(jī)膠黏劑磷酸鋯化學(xué)結(jié)合方法制備氮化硅多孔陶瓷，所得陶瓷體僅有少量或基本沒有玻璃相含量，有助于提高氮化硅基多孔陶瓷的高溫力學(xué)性能。

試樣孔隙率為25.04%，下圖所示為試樣在室溫、400℃、600℃、800℃、1000℃的抗彎強(qiáng)度，從圖中可以看出，磷酸鋯結(jié)合氮化硅多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度從室溫到800℃基本沒有下降，在800℃仍具有102.1MPa的抗彎強(qiáng)度。



將測(cè)試過高溫抗彎強(qiáng)度后的試樣磨成粉并分析其物相組成，從下圖可以看出，經(jīng)高溫力學(xué)測(cè)試后的試樣物相組成并未發(fā)生明顯變化，既未生成新物質(zhì)，原有物質(zhì)也未分解。


沒有發(fā)生液相產(chǎn)生，具有較好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因?yàn)榱姿徜啠╖rP）具有較好的耐高溫性能，并且不與氮化硅(Si₃N₄)發(fā)生反應(yīng)形成低共熔點(diǎn)的化合物。

原理：氮化硅顆粒并非通過液相燒結(jié)而結(jié)合，而是已燒結(jié)的磷酸鋯陶瓷作為粘接劑將氮化硅顆粒鏈接起來，大大減少了晶界玻璃相的存在，避免了玻璃相軟化而導(dǎo)致的晶界滑移，且磷酸鋯具有較高的高溫強(qiáng)度，有效地促進(jìn)和改善了多孔陶瓷的高溫力學(xué)強(qiáng)度。

2、高溫蠕變性能

從變形實(shí)物照片可以看出，試樣被夾持部分變形很小，基本試驗(yàn)前一致；試樣與圓柱壓頭接觸部分變形量較大，該區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，但試樣中心擾度率并沒有顯著提高，也就是說磷酸鋯結(jié)合氮化硅多孔陶瓷帶裂紋工作時(shí)還具有較高的強(qiáng)度，這是一般脆性陶瓷材料所不具備的性質(zhì)，觀察其變形形式與一般陶瓷材料略有不同，有類似于金屬和聚合物的塑性形變，說明該材料在高溫條件下具有較好的韌性。
 

在1000℃下的蠕變曲線存在一個(gè)很顯著的減速蠕變階段，且蠕變應(yīng)力指數(shù)為5.91.顯著的減速蠕變階段可以歸因于磷酸鋯的本征特性及孔隙率為30%的大量孔洞的存在，高蠕變應(yīng)力指數(shù)是由于SiO₂-P₂O₅非晶態(tài)膜的粘性流動(dòng)及其所形成的孔洞造成的。