综述：第二阶段增韧氮化硅陶瓷：增韧机制与微观结构设计的研究进展

《Progress in Natural Science: Materials International》：Second phase toughened silicon nitride ceramics: Research progress in toughening mechanism and microstructure design

硅 nitride陶瓷通过引入第二相（金属颗粒、硬质颗粒、晶须/纤维及相变颗粒）协同裂纹偏转、搭桥和相变诱导增韧机制，结合梯度层状结构、晶粒取向优化等微观设计策略，显著提升断裂韧性，为极端环境应用提供理论支持。

　　

吴丽梅|胡晨凯|雷新宇|王晓龙|牛梦梦|李松华

沈阳建筑大学材料科学与工程学院，中国沈阳，110168

摘要

氮化硅陶瓷因其优异的高温强度、抗氧化性和抗热震性，在航空航天、高温轴承等领域具有重要的应用价值。然而，Si₃N₄陶瓷固有的脆性限制了其在极端条件下的可靠性。Si₃N₄陶瓷的断裂韧性通常为3-6 MPa m^1/2，远不能满足航空航天发动机等极端工作条件的要求。Si₃N₄的低断裂韧性主要归因于其晶体结构中的强共价键和微观结构缺陷。因此，本文回顾了氮化硅陶瓷的结构特性和内在脆性来源，并重点分析了第二相增韧机制和微观结构设计策略。通过引入金属颗粒（如Fe、Mo）、硬质颗粒（如TIC、SiC）、 whisker/fiber（如SiC_w）和相变颗粒（ZrO₂），结合裂纹偏转、桥接和相变诱导的协同机制，显著提高了Si₃N₄陶瓷的断裂韧性。此外，还讨论了晶粒取向优化、分层结构设计、β-Si₃N₄晶粒长宽比控制、界面应力分布以及裂纹扩展路径等微观结构设计策略的增韧效果。本文为制备高韧性Si₃N₄陶瓷提供了理论参考，并促进了其在极端环境中的工程应用。

引言

作为一种典型的结构陶瓷材料，氮化硅陶瓷由于其优异的高温强度、出色的抗氧化性、杰出的抗热震性和良好的化学稳定性，在航空航天发动机热端部件、高速切削工具、高温轴承等领域具有重要的应用价值[[1], [2], [3], [4]]。然而，与大多数先进陶瓷类似，Si₃N₄的固有脆性使其对裂纹扩展非常敏感，其断裂韧性（4-7 MPa m^1/2）难以满足极端工作条件下的可靠性要求[5]。这种内在缺陷严重限制了其在动态载荷或复杂应力状态下的工程应用，促使研究人员不断探索有效的增韧和强化方法。

自20世纪80年代以来，陶瓷增韧技术经历了三个重要发展阶段：早期通过工艺优化实现了“自增韧”，例如调整其微观结构以促进β-Si₃N₄ whisker的原位生长，双模β-Si₃N₄晶粒在裂纹扩展过程中会产生桥接效应，消耗断裂能量，从而提高断裂韧性[6]。随后开发了纤维/whisker复合增韧体系，如ZrO₂f/Si₃N₄ [7]、MLG/β-Si₃N_4w [8]和Si₃N₄/BN_f [9]。在Si₃N₄陶瓷的失效过程中，whisker或纤维会吸收裂纹扩展过程中的残余能量，导致脱粘、拔出和断裂，从而改变裂纹扩展路径并消耗断裂能量[10,11]。随着纳米材料科学的不断进步，研究人员更加关注纳米复合材料和多尺度协同增韧策略[12]。将纤维/whisker或纳米材料以第二相的形式引入Si₃N₄陶瓷中，通过多种增韧机制的协同作用显著提高材料的断裂韧性。引入第二相以控制其微观结构来实现增韧也成为研究的热点方向。第二相材料增韧的核心在于引入异质相后裂纹扩展路径的变化，具体机制包括裂纹偏转和桥接（如SiC whisker）[13,14]、相变诱导的体积膨胀效应（如ZrO₂相变增韧）[15]、残余应力场诱导的裂纹闭合（如金属颗粒的延性相）[16]、界面脱粘和能量耗散（如BN层状结构）[17]。

在纳米技术和界面工程进步的推动下，第二相增韧体系呈现出三个显著趋势。首先，增韧相的选择从传统的微米级颗粒（如TiC、TiN）扩展到纳米颗粒（如BNNPs、GNPs），利用纳米级效应实现更高效的裂纹钉扎[18]。其次，多相协同增韧策略日益成熟。例如，引入多组分体系（如ZrN-AlN-Re₂O₃）作为第二相，可以同时激活三种增韧机制——相变增韧、纤维拔出和残余应力，从而显著提高增韧效果[19]。第三，受仿生技术发展的推动，仿生结构设计概念被应用于Si₃N₄陶瓷的增韧中。在基体中构建类似珍珠层状结构、蜘蛛网状3D互穿网络或反布里渊结构，显著提高了断裂韧性[[20], [21], [22]]。

基于上述研究背景，本文介绍了Si₃N₄陶瓷第二相增韧的最新进展，重点分析了各种增韧相（包括金属颗粒、碳化物和氧化物）的强化机制。分析涵盖了增韧机制、烧结过程和性能表征等多个维度，并探讨了制备工艺（如热处理方法和模板晶粒生长TGG）对晶粒取向分布的影响。通过设计分级分层结构，实现了更高的增韧效果。本工作旨在为高韧性Si₃N₄基复合材料的制备提供理论指导和技术参考。

Si₃N₄的结构特性

Si₃N₄存在三种晶体结构，即α、β和γ相，其中α和β相是最常见的两种结构[23]，如图1a和b所示[24]。这两种相都具有六方晶体结构，晶胞由[SiN₄]四面体组成，Si原子位于四面体中心，四个N原子位于顶点，[SiN₄]四面体和晶胞结构如图1c所示[25]。图1d展示了α-Si₃N₄单晶的原子堆叠情况。

第二相增韧机制

作为提高Si₃N₄陶瓷断裂韧性的重要方法，第二相增韧机制通过引入与基体协同作用的异质组分来调节裂纹扩展行为并吸收断裂能量，已成为高性能陶瓷设计的关键策略。

微观结构设计与调控

除了通过第二相提高Si₃N₄陶瓷的断裂韧性外，合理设计调控其微观结构也是提高断裂韧性的途径。在结构设计中，可以根据材料性能和应用场合优化梯度材料和层状材料，从而在保持高强度的同时提高材料的断裂韧性、抗热震性和抗疲劳性。

结论与展望

Si₃N₄陶瓷具有高强度、高韧性和高导热性，使其有望成为新一代特殊陶瓷结构材料，特别是适用于在极端工作条件下需要极高机械性能的航空轴承材料。本文主要综述了Si₃N₄陶瓷的增韧方法和机制，为其进一步研究提供参考：

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通过

CRediT作者贡献声明

吴丽梅：资源准备、方法论设计。胡晨凯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。雷新宇：数据整理、概念构思。王晓龙：指导、软件应用。牛梦梦：指导、软件应用。李松华：资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42202042）、辽宁省教育厅项目（LJ212410153043）和辽宁省自然科学基金（2024-BSLH-250）的支持，以及沈阳建筑大学高端陶瓷轴承重点实验室（SJUKLHCB04）的资助。