碳材料增韧氮化硅陶瓷
摘要：氮化硅陶瓷由于具有高强度、耐腐蚀、导热性良好等优良的性质被研究者所关注，但是氮化硅陶瓷也有陶瓷材料的共性：脆性，这个致命的缺点限制了氮化硅陶瓷在很多领域的应用。传统的氮化硅陶瓷增韧方法，弥散增韧、纤维晶须增韧、微裂纹增韧等被广泛的研究。随着科学的发展，碳材料越来越引起人们的兴趣，如碳纤维、碳纳米管、富勒烯、石墨烯等，具有良好的韧性，是增韧氮化硅陶瓷的理想的材料，特别是近年来石墨烯的发现，碳材料的应用被拓宽，石墨烯的良好的延展性，抗拉伸性、高导热率等优点，使得在氮化硅陶瓷增韧方面具有广阔的应用前景。
关键字：氮化硅；增韧；碳纳米管；石墨烯
一、氮化硅陶瓷发展
随着现代科学技术的发展，对新材料的研究和应用不断提出更高的要求，传统的金属材料越来越难以满足这种日益发展的要求，及待开发新型材料。多年来，研究工作者们进行了不懈的努力，在材料的制备工艺和性能方面取得了很大的进展。由于人们认识到陶瓷的潜在优势和金不可克服的弱点，工程陶瓷材料越来越受到世界上许多材料研究单位的高度重视，并取得了许多突破性进展。随着科学技术发展迅速，原子能、火箭、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫使人们去寻找比耐热合金更能承受高温，比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料[1]。Si3N4的出色表现，激起了人们对它的热情和兴趣。英、法的一些研究机构和大学率先开始对Si3N4进行系统研究，深入认识它的结构性能、探索烧结方法、开拓应用领域。近些年来Si3N4陶瓷制品已经开始向产业化、实用化迈进了。目前人们通过广泛深入仔细的研究，发现陶瓷材料是最有希望在高科技领域中能得到广泛应用的候选材料。Si3N4陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、抗热震稳定性好、高温蠕变小、耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点，是优良的工程陶瓷之一[2]。
二、氮化硅的结构和性质
氮化硅（Si3N4）陶瓷是无机非金属强共价键化合物，其基本结构单元为[SiN4]四面体，硅原子位于四面体的中心，四个氮原子分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个硅原子的形式在三维空间形成连续而又坚固的网络结构，氮化硅的许多性能都是因为其具有这种特殊的结构，因此Si3N4结构中氮原子与硅原子间结合力很强，其作为一种高温结构陶瓷，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称，氮化硅陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好，可耐氧化到1400℃，热腐蚀性能好，能耐大多数酸侵蚀，摩擦系数小，与用油润滑的金属表面相似等优异性能，已在许多工业领域获得广泛应用，并有很多潜在用途[3]。常见的有六方晶系氮化硅（有两种晶形，即针状结晶体α-Si3N4和颗粒状结晶体β-Si3N4）
图1氮化硅陶瓷两种晶型
三、氮化硅增韧的研究
虽然氮化硅具有良好的性能，但是它也具有陶瓷的共性：脆性，所以想要在更多的领域应用氮化硅陶瓷，就需要解决氮化硅陶瓷的脆性。传统的增韧方式有相变增韧、弥散增韧、纤维增韧、自增韧等一些方法。近些年来随着碳材料的发展，出现一些新的碳同素异形体，如碳纳米管、富勒烯、石墨烯等，这些碳的新
结构具有良好的弹性，较好柔韧性，高拉伸强度，良好导热性，所以将这些材料和氮化硅陶瓷粉体混合，制备较高韧性的氮化硅陶瓷具有很大的研究意义。
1、碳纳米管增韧氮化硅陶瓷
理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。碳纳米管的力学性能优良,其强度约为钢100倍，而密度却只有钢的1/6，而且在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，被认为是未来的“超级纤维”。由于具有极高的比强度、比杨氏模量，碳纳米管被认为是一种理想的先进复合材料的增强体[4]。
碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的主要机制为纤维拔出机制，如图所示，在微裂纹尖端，碳纳米管对裂纹张开产生阻力，由于碳纳米管的高弹性，在拉伸时会分散一部分能量，使得裂无法继续扩展，由此提高了氮化硅陶瓷的韧性。武汉理工大学的郝云春等人研究了碳纳米管的作用，他们认为碳纳米管一方面进入氮化硅陶瓷材料的孔隙，使复合材料的致密度提高；另一方面碳纳米管阻碍复合
剪切模量和泊松比进行理论计算，从其内部微观结构出发，探讨了不同相含量、气孔的含量以及形状等对复合材料性能的影响。碳纤维与熔融石英的线胀系数相当，在烧结温度下不反应，物理匹配和化学相溶性都能满足，是理想的复合系统，连续碳纤维增强熔融石英复合材料（C/Si3N4）性能优异，单向增强时抗弯强度为熔融石英的12倍，而断裂功提高了2-3个数量级。
（2）二维多向排布碳纤维增韧
二维多向排布单向纤维排布的陶瓷只在纤维排列方向上性能优越，而对二维及三维方向性能要求较高时，就需对纤维多向排布。在二维方向上需高性能要求的陶瓷来说就需二维排布。该方法中的纤维排布有二种：一是将纤维编织成纤维布，浸渍陶瓷浆料后根据所需厚度将