添加TiCN相對(duì)熱壓燒結(jié)Si3N4陶瓷力學(xué)性能的影響

熊 浩，奚修安，郭偉明，稅安澤，林華泰

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006 2.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510641）

關(guān)健詞：碳氮化鈦；氮化硅；熱壓燒結(jié)；力學(xué)性能

1 前言

氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。它是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損，為原子晶體;高溫時(shí)抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會(huì)碎裂。氮化硅是多組分、多相結(jié)構(gòu)材料，包括等軸狀的α-Si3N4基體相和長(zhǎng)棒狀β-Si3N4晶種，以及晶界和可能的第二相[1]。研究表明，氮化硅材料中的長(zhǎng)棒狀β-Si3N4晶粒可以有效提高氮化硅材料的斷裂韌性[2～6]。但是氮化硅材料中的長(zhǎng)棒狀β-Si3N4晶粒尺寸大，缺陷多，因此導(dǎo)致氮化硅的硬度不高。TiCN具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨和耐腐蝕等優(yōu)異的性質(zhì)，顆粒狀TiCN相分布于α-Si3N4基體中由于裂紋沿晶偏轉(zhuǎn)消耗能量可產(chǎn)生增韌效應(yīng)[7～12]，把TiCN作為一種增韌相加入氮化硅基體中，通過對(duì)材料的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可望改善氮化硅陶瓷的韌性、耐磨性等力學(xué)性能。因此，本工作將詳細(xì)研究低燒結(jié)溫度條件下TiCN的粒度和含量對(duì)Si3N4陶瓷的力學(xué)性能的影響，以期望在低溫條件下制備出了高硬度、高韌性的Si3N4陶瓷。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

表1 陶瓷的配方組成（wt%）

以α-Si3N4（純度為99.99%，200 nm）為主要原料，所使用的燒結(jié)助劑為Al2O3（純度為99.99%,3μm）和Y2O3（純度為99.99%,200 nm），添加劑分別為TiCN（純度為99.99%,50 nm）和TiCN（純度為99.99%,1μm）。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Y2O3和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Al2O3為燒結(jié)助劑，添加劑TiCN（1 um）加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0、5%、10%、15%和 20%制備了樣品 ST-0、ST-1 、ST-2、ST-3 和 ST-4，添加劑TiCN（50 nm）加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%制備了樣品ST-5，具體配方組成如表1所示。原料按比例混合后，以Si3N4球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)、乙醇為溶劑，使用輥式球磨機(jī)以300 r/min的轉(zhuǎn)速球磨24 h，在60℃水浴溫度下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后烘干，過100目篩（篩孔尺寸0.15 mm），獲得粉體裝入直徑50 mm石墨模具中在N2氣氛下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，升溫速率為10℃/min，熱壓燒成溫度1600℃保溫2 h，外加壓力30 MPa。

2.2 樣品表征

采用NanoSEM430超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣拋光面和斷面形貌。用D8 ADVANCE型X射線分析儀器進(jìn)行物相組成分析。采用HVS-30ZC/LCD Vickers硬度計(jì)進(jìn)行硬度和斷裂韌性測(cè)量，硬度測(cè)量載荷為49 N，保壓10 s，韌性測(cè)量載荷98 N，保壓10 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氮化硅樣品的物相組成分析

圖1 不同樣品的XRD圖譜

圖1為加入不同含量和種類TiCN時(shí)樣品的XRD圖譜，如圖所示，ST-0到ST-5的樣品中，主要晶相均為α-Si3N4，并有一定量的 β-Si3N4，樣品 ST-2中的β-Si3N4衍射峰較強(qiáng)，表明其β-Si3N4含量較高。樣品ST-0不添加TiCN作為空白對(duì)照，ST-1到ST-5樣品中都檢測(cè)到TiN，證明了樣品中的TiCN相的存在，樣品ST-1和ST-5中由于TiN的含量較低，故其TiN相的衍射峰強(qiáng)度較弱。由于TiCN是以TiN和TiC為構(gòu)成基礎(chǔ)，按照休莫-羅塞里（Hume-Rothery）法則形成的連續(xù)固溶體[13]。ST-5中的SiO2是樣品燒結(jié)過程中氮化硅的少許氧化所致生成的，衍射峰強(qiáng)度低，故含量少。

3.2 添加劑TiCN對(duì)氮化硅樣品力學(xué)性能的影響

圖2為不同組分樣品的維氏硬度曲線圖，由圖可見，隨著氮化硅基體中TiCN含量的增加，樣品的維氏硬度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，尤其是當(dāng)引入的TiCN粒度較細(xì)時(shí)，其下降幅度更為明顯。如樣品ST-0的硬度最高，為19.1±0.2 GPa。樣品ST-5硬度最低，僅為16.5±0.1 Pa，分析其主要原因是由于納米級(jí)粉體顆粒粒度小，比表面積大，細(xì)微的顆粒易于聚集在一起形成二次顆粒，使粒子難以分散，影響樣品的燒結(jié)，在樣品中形成缺陷，導(dǎo)致其硬度降低。添加微米級(jí)TiCN后的氮化硅樣品ST-1到ST-4硬度略有所下降，但硬度值仍保持在18 GPa左右。

圖2 不同組分樣品的維氏硬度曲線

圖3為不同組分樣品的斷裂韌性曲線圖，如圖3所示，隨著氮化硅基體中TiCN含量的由5%增加20%，樣品的斷裂韌性逐漸增大。其中樣品ST-4的斷裂韌性最大，約為6.5±0.2 MPa·m1/2，樣品ST-0的斷裂韌性最小，約為5.2±0.1 MPa·m1/2。結(jié)果表明：樣品中添加TiCN和增加其含量都有利于提高氮化硅材料斷裂韌性。添加同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiCN時(shí)，微米級(jí)顆粒比納米級(jí)顆粒的增韌效果更加明顯。

圖3 不同組分樣品的斷裂韌性曲線

3.3 添加TiCN對(duì)樣品顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖4 不同組分樣品的背散射像形貌

圖4是氮化硅樣品的背散射電子圖，由于Ti元素的原子序數(shù)比Si元素大，故在圖像中TiCN的亮度比Si3N4的亮度大，圖中的亮點(diǎn)為TiCN相。從圖4可以看出添加劑TiCN顆粒均勻的分布在氮化硅樣品中，且樣品ST-1到ST-4的TiCN含量逐漸增加。圖4中ST-5為納米級(jí)TiCN顆粒在氮化硅樣品中的分布情況，可見納米TiCN顆粒的分布不均勻，且主要團(tuán)聚于氮化硅的玻璃相中。在氮化硅樣品中由于TiCN的硬度高，彈性模量大，其可以阻礙裂紋擴(kuò)展，使裂紋偏轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展路徑，消耗能量，從而可以提高氮化硅樣品的斷裂韌性，這與樣品ST-1到ST-4的斷裂韌性的提高相一致。ST-5是添加劑TiCN顆粒為50nm的氮化硅樣品，由于TiCN粒度較小，只能在高倍圖像中找到，可以看出納米級(jí)TiCN顆粒在氮化硅樣品中的團(tuán)聚較為明顯，由于其粒度小，其團(tuán)聚程度較明顯，缺陷也就越多，對(duì)樣品的力學(xué)性能的影響較為嚴(yán)重，這也解釋了納米級(jí)的TiCN的添加劑樣品硬度和斷裂韌性遠(yuǎn)低于微米級(jí)TiCN添加劑樣品的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）TiCN作為添加劑可以提高氮化硅樣品的斷裂韌性，添加微米級(jí)TiCN含量為20%時(shí)韌性（壓痕法）可達(dá)6.5±0.2 MPa·m1/2。隨著TiCN含量的增加，氮化硅樣品硬度略有降低，硬度在17.7～18.6 GPa范圍。

（2）在氮化硅樣品低的燒結(jié)溫度條件下，微米級(jí)TiCN顆粒添加劑比納米粒度的TiCN添加劑的增韌效果更加明顯，且對(duì)硬度的降低幅度較小。

（3）微米級(jí)TiCN顆粒在氮化硅樣品中分布相對(duì)均勻、樣品表面無明顯氣孔，燒結(jié)后樣品力學(xué)性能良好。納米級(jí)TiCN顆粒相互團(tuán)聚的現(xiàn)象在氮化硅樣品中存在較為明顯，這種缺陷嚴(yán)重影響了氮化硅陶瓷的綜合力學(xué)性能。