中國粉體網訊 氮化硅(Si3N4)陶瓷因具有良好的抗氧化性、高硬度、高強度、高韌性以及良好的電學和熱學性能，是最有前途的高溫結構材料之一，被稱為“材料界的全能冠軍”。但Si3N4陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工過程中容易形成表面缺陷，極大地降低了Si3N4陶瓷的可靠性。
氮化硅陶瓷
當使用金剛石工具對其加工成復雜的形狀時，不可避免地需要較高的加工成本。大量研究表明，以Si3N4為基體制備出的復合陶瓷能有效彌補單一Si3N4陶瓷的劣勢。BN陶瓷具有良好的電絕緣性、抗氧化性和抗腐蝕性，作為導熱絕緣材料有著很好的應用前景，是近幾年來研究的熱點。基于弱邊界相的概念，可以通過引入氮化硼(BN)等層狀結構分散劑來實現Si3N4陶瓷的易加工性。
Si3N4/BN復合陶瓷的性能
早在20世紀90年代Si3N4/BN復合陶瓷材料就已經應用到實際中，如同時兼具耐熱性、抗沖擊性及高射頻透明度的高馬赫導彈天線罩。為適應不斷嚴苛的應用環境，國內外學者對Si3N4/BN復合陶瓷的性能不斷深入研究。
1.Si3N4/BN復合陶瓷的機械性能
優異的機械加工性歸因于復合材料的準塑性，大量研究表明，Si3N4/BN 復合陶瓷具有巨大的潛力。實驗證明在不同燒結工藝下Si3N4/BN 復合陶瓷的斷裂韌性和彎曲強度進行對比，由于BN相的力學性能較差，其加入導致Si3N4基陶瓷力學性能顯著降低。但隨BN含量升高，Si3N4/BN復合材料的可加工性能也大大提高。弱BN相的插入為復合材料提供了良好的可加工性，允許晶粒在加工過程中解離。
BN的加入雖然有效改善了復合陶瓷的機械性能，但與當下現代化工業的應用要求還有一定差距，且生產成本較大。結合新發展工藝，制備出高性能、持續性低成本的Si3N4/BN復合陶瓷對實際應用具有重大意義。
2.Si3N4/BN復合陶瓷介電性能
介電性能是透波材料的一個重要性能參數，直接影響其使用性能。因為Si3N4具有較高的機械強度、良好的抗熱沖擊性和優異的抗雨水侵蝕性，被認為是透波材料應用中最有前途的陶瓷材料之一，然而介電性能欠佳限制其應用。而BN的加入可能會影響復合陶瓷的介電性能，許多學者對此已做過相應研究。
BN的添加對Si3N4/BN陶瓷材料性能的影響
表中對 BN 含量對復合陶瓷的性能比較可以看出，隨著BN的添加，復合陶瓷的介電常數和介電損耗呈下降趨勢，表現出良好的介電性能，但力學性能大幅度下降。這是由于顯微組織細化增韌作用有限，而隨著大量低彈性模量的BN引入量的不斷增加導致陶瓷的斷裂韌性逐漸降低。
3.其他性能
近年來，對Si3N4/BN復合陶瓷的研究較少，且主要局限于研究某一因素對復合陶瓷的力學、介電性、透波率、摩擦性能、可加工性等方面的影響，對其熱導率的影響的研究不多。任一鵬等人實驗證明，復合陶瓷的主要物相組成為β-Si3N4和h-BN相，陶瓷晶粒呈現垂直于熱壓方向的定向排列，晶粒尺寸隨著BN含量的增加逐漸減小，而垂直和平行于熱壓方向的熱導率都隨BN添加量的增加先降低后升高。通過有限元法對各向異性系統中的BN晶粒大小對復合陶瓷瞬態熱傳導的影響進行計算模擬，發現BN晶粒尺寸的減小降低了Si3N4/BN復合陶瓷的各方向熱導率。此外，Si3N4/BN復合陶瓷還具有耐灼燒、微波吸收等其他性能。
Si3N4/BN復合陶瓷的應用
Si3N4/BN復合陶瓷憑借優越的性能在高溫、熱震、燒蝕、侵蝕等極端環境下具有更廣泛的應用。國外對于Si3N4/BN復合陶瓷研究較早，已成功應用于天線罩的制備，并達到了實用水平；國內不少學者在對Si3N4/BN復合材料也進行了大量研究，并在各個領域有所進展。
航天航空領域
氮化硅是航天航空領域最重要的熱結構陶瓷之一，并且因其具有高強度、出色的化學穩定性、優異的抗熱沖擊性能以及良好的介電性能而被認為是高溫天線罩的合適候選材料。然而單相陶瓷透波材料由于自身性能特點，在高溫下韌性和穩定性不足，逐漸達不到高速飛行所面臨的更加惡劣的環境對天線罩材料的要求。因此通過引入第二相來結合各種陶瓷材料的優點，制備出增強增韌的陶瓷基透波復合材料。
采用Si3N4和BN制備的復合材料具有更穩定的熱物理性能、較低的介電常數和優良的力學性能，能承載高馬赫飛行條件下對天線罩材料的隔熱、承載要求。中科院上海硅酸鹽研究所將h-BN纖維添加到Si3N4陶瓷基體中，燒制出介電性能良好的天線罩材料。但對于高性能導彈、雷達而言，單純的復相陶瓷介電常數和介質損耗角正切仍然偏高。因此，進一步降低Si3N4/BN透波材料的介電常數和介電損耗角正切是新型天線罩材料發展的重要方向。
氮化硅基材料作天線罩實例
由于，Si3N4基陶瓷天線罩的制造工藝涉及多個環節和參數控制，需要嚴格的質量管理和技術要求。同時，制造過程中還需要注意環境保護和安全生產等方面的問題，以保證生產過程的安全性和可持續性。因此到目前為止，有關 Si3N4基陶瓷作為導彈天線罩的還處于研究階段。
其中，俄羅斯、日本、美國及歐盟都在霍爾推進器用BN系列陶瓷通道材料研究方面開展了大量工作，并在相關航天飛行器上獲得成功應用。近些年，我國相關高校及科研院所也開展了霍爾推進器通道用材料及其構件的研制，并對相關Si3N4/BN基復合陶瓷的性能進行研究。
冶金領域
薄帶連鑄側封板材料經歷了傳統耐火材料、熔融石英、氧化鋯等多種材質后，現在已開始使用h-BN復合陶瓷，主要利用了h-BN的高溫自潤滑、熱膨脹系數低、抗熱震性能和高溫化學穩定性良好、與鋼水等熔融金屬不浸潤等優良特性。而且h-BN是非碳質化合物，對鋼液無二次污染和增碳作用，使h-BN成為側封板材料最有潛力的候選材料體系。
錢凡等人以Si粉、Si3N4粉、h-BN粉為原料，通過等靜壓成型，采用反應燒結制備了Si3N4/h-BN復合材料，隨著h-BN加入量的提高，材料的強度、彈性模量、熱膨脹系數減小，當w(h-BN)=30wt%時，試樣的抗熱震性能較好，能夠滿足現有薄帶連鑄生產的工況條件，有望成為熱壓h-BN的代替品。
Si3N4/BN復合陶瓷未來發展方向
目前的研究表明，BN通過各種燒結工藝加入到 Si3N4材料中，使得Si3N4/BN復合陶瓷具有良好的可加工性及透波性，從而制備出一種耐燒蝕、介電性能和抗熱震性能優異的高溫透波陶瓷材料。但大量文獻指出，BN的加入也導致力學性能不足的缺陷。
結合Si3N4/BN復合陶瓷的性能優化，需要從以下幾點進行重點研究：
●Si3N4/BN復合陶瓷燒結技術的機理研究和結構設計需要與當下陶瓷材料的應用需求相匹配，對SPS這類影響因素復雜的燒結工藝應進行系統的理論研究，為新一代Si3N4/BN復合陶瓷產品及其應用提供理論基礎。
●BN對復合陶瓷性能的影響結果不一，燒結助劑、燒結壓力等外界因素也會成為干擾因素，因此可通過改變顆粒級配、添加催化劑促進晶須生長等新方法實現Si3N4/BN復合陶瓷性能的可靠性。
●天線罩設計將適應導彈性能提升，研究聚焦新制備工藝和復合材料，還需加強基礎研究，開發低成本、高性能的Si3N4/BN復合陶瓷材料，以確保生產的可持續性。
●薄帶連鑄側封板材料隨著改性技術不斷進步，將拓寬材料體系和制備路徑，降低成本。Si3N4/BN復合材料因其制備簡單、性能優越，成為側封板發展的重要方向。
參考來源：
于明：Si3N4f/BN-Si3N4陶瓷基復合材料力學性能和熱震損傷行為
趙蕾等：Si3N4/BN復合陶瓷材料研究進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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