基于氮化硅陶瓷的增强相设计调控基体应力状态及其抗热震性能研究

Silicon nitride ceramic has irreplaceable function in the metallurgical industry because of its unique resistance to molten metal corrosion , but its thermal shock resistance is restricting the economic efficiency of the production line. Therefore, it is emergency to study the mechanism on thermal shock resistance and explore effective ways to improve thermal shock resistance of ceramic materials. This project intends to regulate the stress state through composition and microstructure design of the reinforcing phase, design the reinforcing phase with adjacent/package structure according to the mismatch principles of elastic modulus and thermal expansion coefficient mismatch, regular material microstructure and stress state of matrix by introducing different reinforcement, study the changes of stress and microcrack generated by the interaction between the reinforcing phase and matrix in the process of thermal shock, and reveal the influences and mechanism of metal silicides on the thermal shock resistance of silicon nitride ceramics.

氮化硅陶瓷抗熔融金属液侵蚀的特性使其在冶金行业中具有不可替代的地位，但其抗热震性能不足已成为制约产线效率的瓶颈，因此研究提高氮化硅陶瓷抗热震性能的有效途径对解决行业“卡脖子关键技术”具有重大的实际意义。本项目提出根据热膨胀系数和弹性模量失配的原则设计具有特定应力状态的增强相以调控基体预应力的新思路，研究陶瓷热震过程的热应力耗散机制，探索提高材料抗热震性能的机理和途径：通过结构组织优化设计增强相的相邻、包裹结构及组成，研究增强相结构组成与预应力的对应关系，并实现对基体应力状态的调控；深入研究热震过程中基体内应力与外加热应力相互作用下材料微观结构及微裂纹的变化，分析热震过程中外加热应力的耗散机制，阐明基体应力状态对材料抗热震性能的影响规律，揭示陶瓷材料抗热震破坏的机理、探索提高陶瓷材料抗热震性能的有效途径，为高性能陶瓷扩大应用领域、降低使用成本奠定基础。

氮化硅陶瓷抗熔融金属液侵蚀的特性使其在冶金行业中具有不可替代的地位，但其抗热震性能不足已成为制约产线效率的瓶颈，因此研究提高氮化硅陶瓷抗热震性能的有效途径对解决行业“卡脖子关键技术”具有重大的实际意义。本项目提出根据热膨胀系数和弹性模量失配的原则设计具有特定应力状态的增强相以调控基体预应力的新思路，研究陶瓷热震过程的热应力耗散机制，探索提高材料抗热震性能的机理和途径。金属硅化物FeSi2在引入氮化硅基体的过程中发生反应，最终以 Fe5Si3颗粒的形式存在。相对于Si3N4陶瓷，Fe5Si3颗粒具有较高的热膨胀系数，因此在反应的热胀冷缩过程中，Fe5Si3颗粒与Si3N4晶粒的界面周围形成了较大的径向残余拉应力与切向残余压应力。通过修正热应力模型发现，当第二相颗粒靠近材料表面时其径向残余应力急剧降低，而切向残余应力急剧升高，因此最终在Fe5Si3/Si3N4陶瓷表面形成较大的残余压应力，导致材料强度升高。而当更高含量的FeSi2引入基体时，Fe5Si3颗粒尺寸较大、其产生的残余热应力传播更远，单位界面产生的弹性应变能也更大，容易导致界面剥离、产生缺陷，从而引起材料弯曲强度降低。而WSi2在引入基体的过程发生反应，最终以单质W的形式存在，其与Si3N4晶粒无法有效融合，形成的W/Si3N4弱界面有利于裂纹偏转和长棒状Si3N4晶粒的拔出，从而显著提高材料的断裂韧性。通过FeSi2/WSi2复合相的引入得到了W-Fe5Si3核壳结构，能够通过低热膨胀系数W核来抑制Fe5Si3壳层的径向收缩，调节热应力分布从而抑制界面缺陷的产生，进一步优化了Si3N4陶瓷材料的力学性能；有限元分析W-Fe5Si3核壳结构的应力分布，结果表明，核壳结构的引入有效改善了界面周围残余热应力的大小和分布，径向拉应力和界面剥离的能量释放率均降低，界面剥离现象得到抑制。随FeSi2/WSi2复合粉体引入量的增加（<1 wt%），Si3N4 陶瓷的弯曲强度和断裂韧性均呈现持续增加的趋势。