张 创 宋仪杰

武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 湖北武汉430081

Si3N4陶瓷作为一种应用极其广泛的高性能工程陶瓷，具有优于金属合金的低密度，高硬度，高强度和良好的抗蠕变性能，比氧化物陶瓷具有更好的高温力学强度、抗热震性和断裂韧性，在冶金、化工、航空航天、半导体工业、汽车发动机等领域有着大量的应用［1－4］。

对于氮化硅材料而言，Si—N共价键的存在使得原子扩散系数比较低，因此，单纯靠固相烧结难以制备致密的Si3N4陶瓷［2］。在氮化硅粉料中加入少量的MgO、Al2O3、Y2O3等烧结助剂，有利于形成液相，促进Si3N4陶瓷的致密化，增强其耐腐蚀性能和力学性能［5－8］。MgO作为添加剂最早被引入热压烧结致密氮化硅陶瓷中，使其在较低的烧结温度下便形成低黏度的Mg－Si－O－N液相，降低烧结温度效果最为明显［1］。冷却过程中，Mg－Si－O－N液相以玻璃相的形式残留在晶界中，导致Si3N4陶瓷高温性能下降［9］。研究发现，引入Y2O3、Al2O3作为烧结助剂，由于在烧结过程中产生Y－Si－Al－O－N液相，降低了烧结温度，同时Y－Si－Al－O－N液相冷却后形成高温力学性能好的晶相，提高了Si3N4陶瓷的强度和韧性［10－11］。目前，Si3N4陶瓷的制备多以添加复合烧结助剂为主，如：Y2O3/Al2O3、Y2O3/MgO、Y2O3/La2O3、Y2O3/Al2O3/MgO、Y2O3/Al2O3/La2O3等。

1976年，日本的Mitomo［12］报道了在1 450～1 900℃，1.01 MPa氮气压力下进行Si3N4陶瓷的烧结。这是最早利用气压烧结法制备Si3N4陶瓷的研究。近四十年来，气压烧结Si3N4陶瓷应用范围不断扩大，已成为商业化Si3N4陶瓷的主要生产工艺。Krstic等［13］以Y2O3/Al2O3为烧结助剂，于1 700～1 820℃，在N2气氛下进行无压烧结，发现当Y2O3、Al2O3的质量比为2.33∶1时，晶粒平均长径比最高（约4.92），样品断裂韧性约为7 MPa·m1/2，强度为800 MPa。……