塑性抗断裂氮化硅陶瓷的变形及烧结机理

Silicon nitride ceramics possesses a combination of advanced properties, such as high hardness, high flexural strength, corrosive resistance, wear resistance, thermal shock resistance, oxidation resistance and self-lubricating. But, compared to metals, its brittleness and lower fracture toughness considerably influence its reliability as structural material, which are the major obstacle for improving their application value. It would not only cover the shortage in properties to fabricate the silicon nitride ceramics with shock resistance and high reliability, but also be a great breakout in ceramics properties, which has important theory and practical value. During fabricating silicon nitride ball, we obtained silicon nitride ceramics which does not crack with deformation rate of over 15% under hammer dashing, showing distinct ductility. This theme will bases on it, through research the ductile silicon nitride ceramics about its microstructure, deformation mechanism, and texture evolution course and grain grow pattern during sinter, get the key factors bringing out silicon nitride ceramics ductility and the fabricate technology. The research could bring out a breakout over the available plastic deformation theory and set a primary theory for ceramics plastic deformation.

氮化硅陶瓷具有高硬度，高强度、耐腐蚀、耐磨蚀、抗热震、抗氧化、自润滑等优良的综合性能。但与金属材料相比，氮化硅陶瓷还具有脆性和较低的断裂韧性，严重影响了其作为结构材料的可靠性，这是提升其应用价值的主要障碍。因此获得抗断裂高可靠的氮化硅陶瓷不仅可以弥补氮化硅陶瓷性能上的短板，而且是陶瓷性能上的一大突破。我们在制备氮化硅陶瓷轴承球的过程中，获得了锤击变形量超过15%而不破碎的氮化硅陶瓷，表现出了明显的塑性。本项目将以此为基础，深入研究塑性氮化硅陶瓷变形前后的微观结构、变形机理以及烧结时的组织演化过程和晶粒生长规律，获得氮化硅陶瓷的塑性控制因素和制备技术。它的研究成功还有望突破现有金属材料以位错滑移为主要形式的塑性变形理论和以晶界滑移和晶界扩散为基础的高温变形理论，为非金属键高硬度陶瓷材料的塑性变形奠定初步的理论基础。

尽管陶瓷材料具有高温强度高，耐氧化性等优良特性，但不像金属材料那样具有一定的塑性，是一种韧性较低容易发生断裂的脆性材料，可靠性较低，不能作为像航空发动机那样的关键材料。开发塑性陶瓷材料可提高它的可靠性，拓展其应用价值的有效途经。本课题组对塑性氮化硅陶瓷的变形和烧结机理进行了系统的研究，其中包括对变形前后的样品表面形貌特征，样品的相组成，变形前后样品内部晶粒的形状特征，晶界结构特征进行了SEM、XRD、TEM等进行测量和分析，对样品的密度、变形率进行了测量，并对烧结机理进行了研究。研究发现塑性氮化硅陶瓷具有如下特征（1)通过样品表面变形前后的形貌特征对比发现，变形前的表面凸胞，锤击后嵌入了样品内部，并具有明显的边界，变形后的表面出现了成网络状的细小裂纹，而裂纹并没有向陶瓷内部延伸，从微观上证实了氮化硅陶瓷确实发生了塑性变形；（2）两晶粒之间无晶界相存在，晶粒之间为共格晶界；变形率达10.50%的变形样品两晶粒之间的晶界由共格晶界变成了位错较多的半共格晶界，但没有断裂出现；（3）和一般的氮化硅陶瓷不同，在较高的烧结温度下塑性氮化硅陶瓷的相变率很小，不到15%，晶粒不是多面体形状而是浑圆状，这样晶粒之间易发生相对运动，即晶界滑移；（4）塑性变形后晶粒内部晶格完整，和变形后没有明显的变化，说明发生塑性变形时，晶粒内部没有发生滑移和孪生等运动；（5）氮化硅陶瓷的共价键的键性特征也是其具有塑性的必要条件。