氮化硅陶瓷增韧技术研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0172

摘要/Abstract

摘要：

Si₃N₄作为一种高性能结构工程陶瓷，凭借优异的力学性能、耐磨蚀性、抗热震性及化学稳定性，已成为航空航天、汽车、电子及医疗等高端领域高要求应用场景的理想候选材料。然而，Si₃N₄基陶瓷固有的高脆性极大地制约了其在更广泛工程领域中的应用。长期以来，针对Si₃N₄基陶瓷韧性不足的问题，国内外学者开展了大量研究工作。本文系统综述了Si₃N₄陶瓷韧性提升的研究进展：首先，从影响断裂韧性的关键因素出发，详细分析了原料粉体特性、烧结助剂体系、烧结工艺及晶粒形貌与取向分布对Si₃N₄陶瓷韧性的影响规律；在此基础上，对主要增韧策略与机理进行了深入分析与探讨。最后，对高韧性Si₃N₄陶瓷的未来发展趋势和重点突破方向进行了展望。

关键词: Si₃N₄陶瓷, 增韧机理, 微观结构, 自增韧, 第二相增韧, 结构增韧, 力学性能

Abstract:

As a high-performance structural engineering ceramics， Si₃N₄ has emerged as an ideal candidate material for demanding applications in advanced sectors such as aerospace， automotive， electronics， and medical technology， owing to its outstanding mechanical properties， wear resistance， thermal shock resistance， and chemical stability. However， the inherent high brittleness of Si₃N₄-based ceramics greatly restricts their application in a wider range of engineering fields. Over the years， researchers worldwide have conducted extensive research on the insufficient toughness in Si₃N₄-based ceramics. This paper systematically reviews the research progress on improving the toughness of Si₃N₄ ceramics： firstly， starting from the key factors affecting fracture toughness， it elaborates on the influence of powder properties of raw materials， sintering aid system， sintering process， and grain morphology and orientation distribution on the toughness of Si₃N₄ ceramics； based on this， it conducts in-depth analysis and discussion of the main toughening strategies and mechanisms. Finally， the paper outlines the future development trends and key breakthrough directions for high-toughness Si₃N₄ ceramics.

Key words: Si₃N₄ ceramics, toughening mechanism, microstructure, self-toughening, second-phase toughening, structural toughening, mechanical property

中图分类号:

TQ174

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图/表 11

图1 粗细α-Si3N4混合粉末的Si3N4陶瓷的微观结构组成［14］

Fig.1 Microstructure formation of Si3N4 ceramics with addition of fine-coarse α-Si3N4 mixed powder［14］

图2 以多种RE2O3作为烧结添加剂的Si3N4陶瓷的合成过程示意图［27］

Fig.2 Schematic illustration of synthesis process of Si3N4 ceramics with multiple RE2O3 as sintering additives［27］

图3 不同压力烧结下Si3N4陶瓷的织构演化机制图［32］

Fig.3 Diagram of texture evolution mechanisms for different high-pressure sintered Si3N4 ceramics［32］

图4 强磁场定向制备的具有晶粒取向分布的Si3N4陶瓷材料：（a）垂直于取向面，（b）平行于取向面［36］

Fig.4 Grain-oriented Si3N4 ceramic materials fabricated via strong magnetic field alignment：（a） perpendicular to the orientation plane，（b） parallel to the orientation plane［36］

图5 晶粒取向分布Si3N4陶瓷材料的制备方法：（a）热加工法；（b）模板晶粒定向生长法

Fig.5 Preparation methods for Si3N4 ceramics materials with grain orientation distribution：（a） hot processing method；（b） template grain growth method

图6 晶粒取向对Si3N4陶瓷断裂韧性影响机制

Fig.6 Influence mechanism of grain orientation on fracture toughness of Si3N4 ceramics

图7 提高Si3N4陶瓷韧性的机制：（a）裂纹偏转、桥接及晶粒拔出等［42］；（b）层状结构［43］

Fig.7 Toughening mechanisms of Si3N4 ceramics：（a） crack deflection， bridging， and grain pull-out， etc［42］；（b） layered structure［43］

图8 含有5%（质量分数）β-Si3N4晶种的Si3N4微观形貌［49］

Fig.8 Microstructure of Si3N4 containing 5% （mass fraction） β-Si3N4 seed crystals［49］

图9 β-Si3N4晶须与MXene复合相协同增韧Si3N4陶瓷的作用机制［53］

Fig.9 Synergistic toughening mechanism of Si3N4 ceramics by β-Si3N4 whisker and MXene composite phase［53］

图10 （a）海洋生物贝壳的层状表面的SEM照片；（b）仿贝壳珍珠层状结构陶瓷样品的SEM照片［77］

Fig.10 （a） SEM image of depicting layered surface of a marine organism’s shells；（b） SEM image of imitating shell pearl layer structure ceramic sample［77］

表1 不同增韧方式的综合对比

Table 1 Comprehensive comparison of different toughening methods

增韧方式	核心增韧机理	实施难度	工艺成本	韧性提升范围/（MPa·m^1/2）	对其他力学性能影响	主要局限性
晶须/纤维增韧	桥接、拔出、偏转	较高（需控制分散性、界面结合）	较高	6.60~10.36	易降低强度和硬度	晶须易团聚，界面结合差，易脱黏
相变增韧	应力诱导相变	较高（严控含量与烧结温度）	中等	8.70~10.05	提高强度，易降低高温性能	高温易生成杂质相，含量过高易团聚
颗粒弥散增韧	裂纹偏转、钉扎	中等（控制颗粒分散与反应）	中等	8.00~9.39	部分会降低高温稳定性	颗粒易团聚，界面反应难控制
结构增韧	裂纹偏转、扭转，延长扩展路径	高（结构精准，制备难度大）	高	10.71~11.22	易降低强度	制备工艺复杂，量产难度大
自增韧	裂纹偏转、晶粒拔出和桥接	中等（调控烧结助剂/烧结参数等）	较低	7.60~13.50	提高强度，轻微降低硬度	晶粒形貌调控难度大，易出现过度生长

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