组分优化协同增强氮化硅陶瓷力学与摩擦学性能研究

《Materials Today Communications》：Synergistic enhancement of mechanical and tribological properties in silicon nitride ceramics via component optimization

本研究针对Si3N4陶瓷在力学性能与耐磨性难以协同提升的瓶颈问题，通过引入ZrO2与TiC复合添加剂并结合快速热压烧结技术，成功制备出综合性能优异的Si3N4基复合陶瓷。结果表明，ZrO2的添加显著提高了材料的弯曲强度（921 MPa）和断裂韧性（9.1 MPa·m1/2），而TiC的引入进一步将硬度提升至17.2 GPa，并显著降低室温磨损率至7.7×10-7mm3·N-1·m-1。该研究为苛刻工程环境下高性能陶瓷材料的设计提供了新策略。

　　

在高温、高载荷等苛刻工程环境下，材料的耐磨性与力学性能协同提升一直是陶瓷材料领域的核心挑战。氮化硅（Si₃N₄）陶瓷因其优异的高温稳定性、化学惰性和力学强度，被广泛应用于机械轴承、航空航天部件和生物植入体等领域。然而，单一组分的Si₃N₄陶瓷在强度、韧性和耐磨性之间常存在此消彼长的矛盾：例如，通过引入一维或二维增强相（如纳米线、石墨烯）虽可提升特定性能，却易导致致密化不足、成本高昂或性能各向异性等问题。更关键的是，磨损失效约占工程材料失效案例的30%，如何通过材料设计实现耐磨性与力学性能的协同优化成为亟待突破的难题。

为此，山东大学材料科学与工程学院的研究团队在《Materials Today Communications》上发表论文，提出通过ZrO₂与TiC的复合添加策略，结合快速热压烧结技术，成功制备出综合性能优异的Si₃N₄基复合陶瓷。研究通过调控添加剂比例与烧结工艺，系统分析了材料微观结构演变、力学性能与摩擦学行为之间的关联机制，为高性能陶瓷在极端工况下的应用提供了新思路。

本研究的关键技术方法包括：采用快速热压烧结工艺（烧结温度1700°C，压力30 MPa）制备四组不同组分（S0-S3）的Si₃N₄陶瓷；通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析相组成与微观结构；利用三点弯曲法和单边切口梁法测试力学性能；采用高温往复摩擦试验机评估室温与400°C下的摩擦系数和磨损率；结合能谱仪（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）表征元素分布与化学键态。

3.1. 物相与微观结构

XRD分析表明，ZrO₂的添加促进了α→β相变，使S1样品中β-Si₃N₄含量达100%；而TiC的引入抑制了相变，S3样品中α-Si₃N₄保留量升至43.3%。SEM显示TiC颗粒通过钉扎晶界细化β-Si₃N₄柱状晶，S3样品的晶粒长径比增至6.5。EDS证实TiC与基体发生界面反应，形成Ti-N键，增强第二相与基体的结合强度。

3.2. 力学性能

ZrO₂单独添加时（S1），弯曲强度和断裂韧性分别提升至921 MPa和9.1 MPa·m^1/2，但硬度降至13.4 GPa。TiC的引入（S3）通过细化晶粒和界面强化，使硬度显著提高至17.2 GPa，同时弯曲强度（664 MPa）和韧性（7.2 MPa·m^1/2）恢复至优于基线水平。研究表明，TiC与基体的热膨胀系数差异导致的残余应力是S2样品性能下降的主因。

3.3. 摩擦学性能

室温下，S1因氧化膜易剥落，磨损率最高（3.0×10^-6mm³·N^-1·m^-1）；而含3 wt% TiC的S2样品磨损率最低（7.7×10^-7mm³·N^-1·m^-1），归因于TiC锚定氧化膜及裂纹偏转效应。400°C时，磨损机制转为氧化主导，S1因致密氧化膜形成，磨损率降至3.3×10^-7mm³·N^-1·m^-1；而TiC的脱落加剧磨粒磨损，使S2磨损率升高。值得注意的是，S3中脱落的β-Si₃N₄柱状晶通过滚动效应产生自润滑，部分抵消了TiC的不利影响。

研究结论表明，ZrO₂与TiC的协同作用实现了Si₃N₄陶瓷强度、韧性和耐磨性的综合优化。ZrO₂通过促进液相烧结提升致密化与相变完成度，而TiC通过细化晶粒、界面反应和磨损机制调控增强硬度和高温稳定性。该工作为多组分协同设计高性能陶瓷提供了理论依据与工艺范例，尤其在高温摩擦部件（如发动机密封环、切削工具）领域具有应用潜力。然而，TiC与基体界面在高温下的稳定性仍需进一步优化，未来可通过纳米尺度界面工程进一步提升材料服役可靠性。