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氮化硅具有高温强度及硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，与其他陶瓷相比，氮化硅陶瓷比重小，热膨胀系数低，抗热冲击性好，断裂韧性高，是一种理想的高温结构材料和高速切削工具材料。被广泛应用于机械工业、冶金工业、化学工业、原子能工业、航空航天等领域。
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在氮化硅的制备过程当中，烧结助剂在陶瓷致密化过程中起到至关重要的作用。由于氮化硅陶瓷具有陶瓷脆性大的共性，限制了其在各个领域的推广运用，添加增强相是目前解决这一问题的关键。那么不同烧结助剂和增强相对氮化硅陶瓷的性能有怎样的影响呢？
烧结助剂的影响
烧结制备氮化硅陶瓷的主要方法有常压烧结、反应烧结、热压烧结、气压烧结等。常压烧结可以大量的制备各种氮化硅陶瓷且十分经济，更易实现工业化生产。在常压烧结工艺中，烧结助剂的选择很关键。
烧结助剂又称助烧剂，是陶瓷材料烧结过程为促进烧结致密化加入的氧化物或非氧化物。不同的烧结助剂在陶瓷材料的烧结过程中作用也不同，其作用主要有以下几点:与烧结物形成固溶体，阻止(促进)晶型转变，抑制(加速)晶粒生长，产生液相。
由于较高的熔点和控制α→β相变速率、晶粒生长各向异性和β-Si3N4晶粒的纵横比，稀土氧化物烧结助剂被认为是Si3N4的理想添加剂。其添加能够提高氮化硅陶瓷的室温和高温性能，提高材料的可靠性和寿命。
氧化镁是最早被选为金属氧化物烧结助剂的材料，它能够保障液相形成并制得高致密度的氮化硅陶瓷。氧化镁和氮化硅表面的二氧化硅相互作用形成液相，其具有四种成分Mg-Si-O-N的复杂结构。在烧结过程中，这种液相在氮化硅晶界上形成较软的玻璃相能明显提高氮化硅烧结性能，但其与二氧化硅形成的低共熔玻璃相在高温下会出现晶界软化变形使氮化硅的强度和韧度大幅下降，从而对氮化硅陶瓷的高温性能极为不利。
金属氧化物和稀土氧化物都可以作为氮化硅陶瓷材料的烧结助剂。但是相较而言，稀土氧化物更有利于氮化硅陶瓷的烧结，不利影响因素更少。为达到取长补短的目的，通常做法是采用金属氧化物和稀土氧化物多组分烧结助剂来制备氮化硅陶瓷。
增强相的影响
氮化硅陶瓷的脆性在一定程度上限制了它的应用范围，因此提高碳化硅陶瓷的韧性一直以来都是氮化硅陶瓷材料研究的重要方向。陶瓷的韧化有两大类方法：一类是自增韧，它是由陶瓷在烧结或者热处理过程中自发生长出具有增韧效果的晶粒来实现，例如棒状β-Si3N4。另一类是在混合粉料的过程中加入第二组元来达到增韧目的。目前氮化硅陶瓷增韧添加材料种类较多，主要包括碳纳米管、石墨烯、晶须碳化硅、颗粒碳化硅、氧化锆颗粒、碳化钛、β-Si3N4等。
石墨烯是目前已知最薄的材料，也是最强韧的材料。它是由sp2杂化连接的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，其厚度仅为一个原子尺寸，即约0.35nm。石墨烯所具有的优异性能使其能够作为一种增强相来实现材料性能上的优化。石墨烯在不同的陶瓷基复合材料中均可达到很好的补强增韧效果，其作用机制主要包括裂纹的偏转、分支，石墨烯的桥联、断裂、拔出等。石墨烯增韧氮化硅机制示意图如下。
由于石墨烯与氮化硅之间的接触面强度较弱，当裂纹扩展到接触面时会直接沿着接触面扩展，而不是沿着原来的路径继续扩展；另一方面则是石墨烯具有层状结构，层与层之间的结合力较弱，当裂纹扩展到石墨烯表面时会导致石墨烯层间分离而增加裂纹的延伸路径，从而达到增韧的效果。由此可见，添加石墨烯极大地增强了氮化硅陶瓷的韧性，基体与石墨烯之间具有适宜的界面结合和石墨烯均匀分散能够更好达到增强效果。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，其是由呈六边形排列的碳原子构成数层到十层的同轴圆管。碳纳米管力学性能优良，其强度约为钢的倍，密度却只有钢的六分之一，且在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，因此被誉为未来的“超级纤维”。由于具有极高的比强度、比杨氏模量，碳纳米管被认为是一种理想的先进复合材料增强体。碳纳米管对氮化硅陶瓷增韧的主要机制是纤维拔出机制，如下图所示。
在裂纹尖端，碳纳米管对裂纹张开产生阻力，由于碳纳米管的高弹性，在材料断裂时会分散一部分能量使得裂纹无法继续扩展，由此达到提高氮化硅陶瓷韧性的效果。
虽然碳纳米管增强氮化硅陶瓷效果最好，但其高昂的成本限制了材料的广泛使用。
碳化硅具有高硬度、高熔点以及很好的抗蠕变性能，是一种极佳的氮化硅陶瓷增韧材料。目前国内很多专家对碳化硅晶须增韧氮化硅陶瓷进行了深入研究，并取得很好的成果。碳化硅增韧陶瓷材料技术相对比较成熟，其增韧机制如图所示。
氧化锆(ZrO2)颗粒增韧主要是依靠不同温度下氧化锆的相变来实现。随着温度的升高，氧化锆晶体结构的转变会造成体积膨胀并在基体中引起微裂纹，这些裂纹扩展时吸收能量，从而达到增韧的效果。
ZrO2三种晶型的转变关系如图所示。
表2为添加不同增强相制备氮化硅陶瓷的性能比较。
由表可以看出，碳材料增强相的增韧效果十分明显，同时由于碳材料的资源十分丰富，近年来科技发展使得碳材料的性能得到极大提升，价格不断降低，碳材料应用于氮化硅陶瓷增韧将会拥有广阔的前景。
参考来源：
中国陶瓷年第58卷第8期
DOI:10./j.cnki.issn.1-..08.预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇