为了增韧Si3N4基陶瓷材料, 以钨(W)作为第二相材料, Y2O3-Al2O3作为烧结助剂, 采用气压烧结法制备了W/Si3N4复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si3N4复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明: 在W含量小于5%(质量分数)时, 样品致密度均达97%以上; 在W含量为5%(质量分数)时, 获得的W/Si3N4复合陶瓷材料综合性能最佳, 弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00) MPa、(16.42±0.22) GPa和(8.04±0.16) MPa·m1/2, 相比于未添加金属W的Si3N4陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%; 通过分析W/Si3N4复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构, 发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制, 消耗裂纹扩展能量, 从而改善Si3N4陶瓷的断裂韧性。

采用羟基化结合硅烷偶联剂(KH560)对氮化硅(Si3N4)粉体进行表面功能化改性, 配制出高固含量、高固化深度的Si3N4膏料, 并基于立体光固化(SL)工艺制备了高强度的Si3N4复杂结构件。结果表明: Si3N4表面的KH560改善了粉体与树脂的相容性, 降低了Si3N4膏料的粘度; 同时, KH560的环氧基团(—CH(O)CH2)与环氧树脂(EA)通过化学键等方式相结合, 形成了EA核壳结构, 降低了树脂与陶瓷颗粒之间的折射率差, 从而提高了Si3N4膏料的固化深度。表面羟基化处理后Si3N4表面吸附了更多的KH560, 从而进一步降低了Si3N4膏料的粘度, 提高了Si3N4膏料的固化深度。最终, 用羟基化和KH560改性后的Si3N4粉体配制出的Si3N4膏料固含量达到50%(体积分数), 固化深度达到64 μm。烧结后Si3N4试样致密度为83%, 断裂韧性为(4.38±0.45) MPa·m1/2, 抗弯强度达到(407.95±10.50) MPa。

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响, 分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系, 并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性, 基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式, 基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明: 当初始表面轮廓分形维数分别为1.4, 1.45, 1.5和1.55时, 摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验, 研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律, 分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明: 产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点; 温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点; 当施加载荷为360 N和往复频率为80 Hz时, 摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。

针对工程陶瓷的崩碎损伤,应用单颗粒划痕实验系统研究了切向载荷作用下Si3N4陶瓷的崩碎损伤特征和机理.比较了损伤位置、切入深度、切向速度和金刚石磨粒磨损等因素对陶瓷崩碎损伤的影响,应用3D激光测量显微镜观测了崩碎损伤表面的三维形貌,应用扫描电镜分析了崩碎损伤机理.结果表明:出口崩碎损伤是陶瓷崩碎损伤的主要形式;切入深度越大,切向速度越小,金刚石颗粒磨损越多,崩碎损伤就越严重.出口崩碎损伤的中心剖面线具有显著的阶梯形分形特征,其扩展演化规律可由逾渗理论和裂纹扩展的最小阻力原理解释.在切向载荷作用下,入口崩碎损伤在金刚石磨粒的碰撞下主要以穿晶断裂为主;内部崩碎损伤在金刚石磨粒的挤压和切割下主要以破碎和铲除的形式发生断裂;而出口崩碎损伤主要以沿晶断裂为主.