1 福建工程学院晶界工程研究所，福建工程学院材料科学与工程学院，福州 350118
2 中材高新氮化物陶瓷有限公司，山东 淄博 255022
3 中材高新材料股份有限公司，北京 100021
由于较高的综合力学性能，氮化硅陶瓷球得到广泛的工程应用，但是极端工况下依然存在明显失效开裂现象。在一般氧化物烧结助剂的基础上添加少量过渡金属化合物能起到优化材料设计和进一步提高性能的作用，但是相关作用机理还未有明确探知。在添加Al2O3和Y2O3烧结助剂基础上，分别添加TiN、Fe3Si和WC等过渡金属化合物，并采用热等静压烧结方法制备了氮化硅陶瓷轴承球。采用X射线衍射检测其物相组成，采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究其组织结构特点，并使用纳米压痕法对其力学性能进行了研究。结果表明，添加TiN可有效抑制烧结过程中有害物相Si2N2O的生成；添加TiN和WC有利于烧结过程Al和O向氮化硅基体中扩散，形成了Sialon相；添加Fe3Si则不具有上述作用；添加TiN可获得晶粒尺寸细小均匀的β-Si3N4组织；添加Fe3Si会生成粗大β-Si3N4晶粒相互穿插桥接且其空隙填充细小β-Si3N4晶粒的烧结组织；添加WC则生成粗细晶共存的非均匀组织。与添加Fe3Si和WC相比，添加TiN的氮化硅陶瓷球具有更高的硬度和更大的弹性模量等更好的力学性能。
过渡金属化合物 氮化硅陶瓷轴承球 显微组织 晶界偏聚 transition metal compounds silicon nitride ceramic balls microstructure grain boundary segregation
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有广泛的工业应用潜力，但其硬度和断裂韧性往往难以兼顾，这会限制到Si3N4陶瓷的应用。为了获得兼具高硬度和高韧性的Si3N4陶瓷，以高熵硼化物(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Cr0.2Ti0.2)B2为添加剂，使用放电等离子烧结法在 1 600 ℃制备了Si3N4陶瓷材料。研究了(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Cr0.2Ti0.2)B2对Si3N4陶瓷的相组合、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明：与未添加(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Cr0.2Ti0.2)B2的Si3N4陶瓷相比，在较低的烧结温度下(1 600 ℃)，仅添加1.0%(体积分数)的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Cr0.2Ti0.2)B2就能将β-Si3N4的质量分数从38%提高到53%，获得双峰显微结构。因而，Si3N4基陶瓷的断裂韧性从(5.4±0.3) MPa·m1/2提升到(6.9±0.2) MPa·m1/2，而硬度维持在(20.2±0.2) GPa。随着高熵硼化物的含量增加到2.5%和5.0%，Si3N4基陶瓷致密度降低且相变进一步增加，导致硬度降低。
氮化硅陶瓷 高熵硼化物 相组成 显微结构 力学性能 silicon nitride ceramic high-entropy boride phase assemblage microstructure mechanical properties
山东理工大学材料科学与工程学院, 淄博 255000
以Er2O3-Mg2Si-Yb2O3为三元复合烧结助剂, 制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷, 研究了Er2O3-Mg2Si-Yb2O3体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明, 当添加5%(质量分数, 下同)Er2O3+2%Mg2Si+4%Yb2O3烧结助剂时, 烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳, 此时氮化硅陶瓷具有最佳性能: 抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m1/2,热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中, 只添加5%Er2O3+2%Mg2Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高, 不能使氮化硅陶瓷完成致密化; 此外, 当添加的Yb2O3含量超过4%时, 烧结助剂产生大量的晶界相, 降低了氮化硅陶瓷的性能。
氮化硅陶瓷 Er2O3-Mg2Si-Yb2O3烧结助剂 致密度 微观结构 力学性能 热导率 silicon nitride ceramics Er2O3-Mg2Si-Yb2O3 sintering agent density microstructure mechanical property thermal conductivity
1 中材高新氮化物陶瓷有限公司, 淄博 255000
2 北京中材人工晶体研究院有限公司, 北京 100018
氮化硅陶瓷不仅具有较高的力学性能还具有良好的透波性能、导热性能以及生物相容性能, 是公认的综合性能最优的陶瓷材料。作为轴承球的致密氮化硅陶瓷广泛应用在机械领域; 作为透波材料的多孔氮化硅陶瓷广泛应用在航空航天领域; 随着对氮化硅陶瓷材料的深入研究, 其在导热性和生物相容性方面的优异特性逐渐被科研工作者认识并得到开发和应用。本文详细阐述了氮化硅粉体的制备方法, 并综述了氮化硅陶瓷作为结构陶瓷在机械领域和航空航天领域的研究进展, 此外还介绍了其作为功能陶瓷在半导体领域、生物制药领域的研究和应用现状,最后对其未来发展进行了展望。
氮化硅陶瓷 轴承球 透波材料 氮化硅基板 生物陶瓷 多孔材料 silicon nitride ceramic bearing ball wave-transmitting material silicon nitride substrate bioceramics porous material
山东理工大学机械工程学院, 山东 淄博 255049
为了在激光加热辅助切削(LAM)氮化硅陶瓷试验中获得较高的加工表面质量和加工效率, 实验并分析了各加工参数对温度分布和表面完整性的影响, 为在加工中选取合适的参数提供依据。利用ANSYS软件对切削区域温度场进行仿真, 探索了激光功率改变时温度的变化规律, 得到了各参数下的软化层深度, 并通过试验验证仿真结果的正确性。根据仿真得到的软化层尺寸选择合适的背吃刀量, 通过单因素试验确定主轴转速和进给速度的理想范围。结果表明, 在激光功率为180~210 W、主轴转速为700~900 r/min、进给速度为0.01~0.013 mm/r时按照仿真得到的背吃刀量进行试验可以获得较低的表面粗糙度和较高的材料去除率。研究表明, 试验结果与仿真结果基本吻合, 可以采取先仿真后试验的方法得到合适的加工参数, 从而达到在获得较高表面质量的同时提高加工效率的目的。
激光辅热切削 氮化硅陶瓷 温度场仿真 表面粗糙度 去除率 laser assisted machining silicon nitride ceramic temperature field simulation surface roughness removal rate
1 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
2 宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了探讨激光表面微织构加工技术对氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷凹槽型表面微织构的制备能力, 采用短脉冲皮秒激光器探究平均功率、扫描速度、重复次数等工艺参数对表面织构结构形貌和质量的影响。结果表明: 氧化铝陶瓷在功率8.3 W, 扫描速度800 mm/s, 重复次数10次时, 凹槽呈U型,加工效果较好; 氮化硅陶瓷在功率40.6 W, 扫描速度800 mm/s, 重复次数10次时加工效果较好, 且皮秒激光对氧化铝陶瓷的加工效率高于氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷加工凹槽底部有白色氧化物层产生, 对氮化硅凹槽形貌有较大影响。
激光加工 表面微织构 氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 制备能力 laser processing micro surface texture alumina ceramics silicon nitride ceramics preparation ability
1 装甲兵工程学院 装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京 100072
2 装甲兵工程学院 全军装备表面工程重点实验室, 北京 100072
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.
切向载荷 工程陶瓷 氮化硅陶瓷 崩碎损伤 单颗粒划痕 逾渗 sliding load engineering ceramics Si3N4 ceramics edge chipping single diamond grit scratching percolation
