中国粉体网讯 氮化硅(Si3N4)陶瓷因具有良好的抗氧化性、高硬度、高强度、高韧性以及良好的电学和热学性能，是最有前途的高温结构材料之一，被称为“材料界的全能冠军”。但Si3N4陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工过程中容易形成表面缺陷，极大地降低了Si3N4陶瓷的可靠性。
氮化硅陶瓷
当使用金刚石工具对其加工成复杂的形状时，不可避免地需要较高的加工成本。大量研究表明，以Si3N4为基体制备出的复合陶瓷能有效弥补单一Si3N4陶瓷的劣势。BN陶瓷具有良好的电绝缘性、抗氧化性和抗腐蚀性，作为导热绝缘材料有着很好的应用前景，是近几年来研究的热点。基于弱边界相的概念，可以通过引入氮化硼(BN)等层状结构分散剂来实现Si3N4陶瓷的易加工性。
Si3N4/BN复合陶瓷的性能
早在20世纪90年代Si3N4/BN复合陶瓷材料就已经应用到实际中，如同时兼具耐热性、抗冲击性及高射频透明度的高马赫导弹天线罩。为适应不断严苛的应用环境，国内外学者对Si3N4/BN复合陶瓷的性能不断深入研究。
1.Si3N4/BN复合陶瓷的机械性能
优异的机械加工性归因于复合材料的准塑性，大量研究表明，Si3N4/BN 复合陶瓷具有巨大的潜力。实验证明在不同烧结工艺下Si3N4/BN 复合陶瓷的断裂韧性和弯曲强度进行对比，由于BN相的力学性能较差，其加入导致Si3N4基陶瓷力学性能显著降低。但随BN含量升高，Si3N4/BN复合材料的可加工性能也大大提高。弱BN相的插入为复合材料提供了良好的可加工性，允许晶粒在加工过程中解离。
BN的加入虽然有效改善了复合陶瓷的机械性能，但与当下现代化工业的应用要求还有一定差距，且生产成本较大。结合新发展工艺，制备出高性能、持续性低成本的Si3N4/BN复合陶瓷对实际应用具有重大意义。
2.Si3N4/BN复合陶瓷介电性能
介电性能是透波材料的一个重要性能参数，直接影响其使用性能。因为Si3N4具有较高的机械强度、良好的抗热冲击性和优异的抗雨水侵蚀性，被认为是透波材料应用中最有前途的陶瓷材料之一，然而介电性能欠佳限制其应用。而BN的加入可能会影响复合陶瓷的介电性能，许多学者对此已做过相应研究。
BN的添加对Si3N4/BN陶瓷材料性能的影响
表中对 BN 含量对复合陶瓷的性能比较可以看出，随着BN的添加，复合陶瓷的介电常数和介电损耗呈下降趋势，表现出良好的介电性能，但力学性能大幅度下降。这是由于显微组织细化增韧作用有限，而随着大量低弹性模量的BN引入量的不断增加导致陶瓷的断裂韧性逐渐降低。
3.其他性能
近年来，对Si3N4/BN复合陶瓷的研究较少，且主要局限于研究某一因素对复合陶瓷的力学、介电性、透波率、摩擦性能、可加工性等方面的影响，对其热导率的影响的研究不多。任一鹏等人实验证明，复合陶瓷的主要物相组成为β-Si3N4和h-BN相，陶瓷晶粒呈现垂直于热压方向的定向排列，晶粒尺寸随着BN含量的增加逐渐减小，而垂直和平行于热压方向的热导率都随BN添加量的增加先降低后升高。通过有限元法对各向异性系统中的BN晶粒大小对复合陶瓷瞬态热传导的影响进行计算模拟，发现BN晶粒尺寸的减小降低了Si3N4/BN复合陶瓷的各方向热导率。此外，Si3N4/BN复合陶瓷还具有耐灼烧、微波吸收等其他性能。
Si3N4/BN复合陶瓷的应用
Si3N4/BN复合陶瓷凭借优越的性能在高温、热震、烧蚀、侵蚀等极端环境下具有更广泛的应用。国外对于Si3N4/BN复合陶瓷研究较早，已成功应用于天线罩的制备，并达到了实用水平；国内不少学者在对Si3N4/BN复合材料也进行了大量研究，并在各个领域有所进展。
航天航空领域
氮化硅是航天航空领域最重要的热结构陶瓷之一，并且因其具有高强度、出色的化学稳定性、优异的抗热冲击性能以及良好的介电性能而被认为是高温天线罩的合适候选材料。然而单相陶瓷透波材料由于自身性能特点，在高温下韧性和稳定性不足，逐渐达不到高速飞行所面临的更加恶劣的环境对天线罩材料的要求。因此通过引入第二相来结合各种陶瓷材料的优点，制备出增强增韧的陶瓷基透波复合材料。
采用Si3N4和BN制备的复合材料具有更稳定的热物理性能、较低的介电常数和优良的力学性能，能承载高马赫飞行条件下对天线罩材料的隔热、承载要求。中科院上海硅酸盐研究所将h-BN纤维添加到Si3N4陶瓷基体中，烧制出介电性能良好的天线罩材料。但对于高性能导弹、雷达而言，单纯的复相陶瓷介电常数和介质损耗角正切仍然偏高。因此，进一步降低Si3N4/BN透波材料的介电常数和介电损耗角正切是新型天线罩材料发展的重要方向。
氮化硅基材料作天线罩实例
由于，Si3N4基陶瓷天线罩的制造工艺涉及多个环节和参数控制，需要严格的质量管理和技术要求。同时，制造过程中还需要注意环境保护和安全生产等方面的问题，以保证生产过程的安全性和可持续性。因此到目前为止，有关 Si3N4基陶瓷作为导弹天线罩的还处于研究阶段。
其中，俄罗斯、日本、美国及欧盟都在霍尔推进器用BN系列陶瓷通道材料研究方面开展了大量工作，并在相关航天飞行器上获得成功应用。近些年，我国相关高校及科研院所也开展了霍尔推进器通道用材料及其构件的研制，并对相关Si3N4/BN基复合陶瓷的性能进行研究。
冶金领域
薄带连铸侧封板材料经历了传统耐火材料、熔融石英、氧化锆等多种材质后，现在已开始使用h-BN复合陶瓷，主要利用了h-BN的高温自润滑、热膨胀系数低、抗热震性能和高温化学稳定性良好、与钢水等熔融金属不浸润等优良特性。而且h-BN是非碳质化合物，对钢液无二次污染和增碳作用，使h-BN成为侧封板材料最有潜力的候选材料体系。
钱凡等人以Si粉、Si3N4粉、h-BN粉为原料，通过等静压成型，采用反应烧结制备了Si3N4/h-BN复合材料，随着h-BN加入量的提高，材料的强度、弹性模量、热膨胀系数减小，当w(h-BN)=30wt%时，试样的抗热震性能较好，能够满足现有薄带连铸生产的工况条件，有望成为热压h-BN的代替品。
Si3N4/BN复合陶瓷未来发展方向
目前的研究表明，BN通过各种烧结工艺加入到 Si3N4材料中，使得Si3N4/BN复合陶瓷具有良好的可加工性及透波性，从而制备出一种耐烧蚀、介电性能和抗热震性能优异的高温透波陶瓷材料。但大量文献指出，BN的加入也导致力学性能不足的缺陷。
结合Si3N4/BN复合陶瓷的性能优化，需要从以下几点进行重点研究：
●Si3N4/BN复合陶瓷烧结技术的机理研究和结构设计需要与当下陶瓷材料的应用需求相匹配，对SPS这类影响因素复杂的烧结工艺应进行系统的理论研究，为新一代Si3N4/BN复合陶瓷产品及其应用提供理论基础。
●BN对复合陶瓷性能的影响结果不一，烧结助剂、烧结压力等外界因素也会成为干扰因素，因此可通过改变颗粒级配、添加催化剂促进晶须生长等新方法实现Si3N4/BN复合陶瓷性能的可靠性。
●天线罩设计将适应导弹性能提升，研究聚焦新制备工艺和复合材料，还需加强基础研究，开发低成本、高性能的Si3N4/BN复合陶瓷材料，以确保生产的可持续性。
●薄带连铸侧封板材料随着改性技术不断进步，将拓宽材料体系和制备路径，降低成本。Si3N4/BN复合材料因其制备简单、性能优越，成为侧封板发展的重要方向。
参考来源：
于明：Si3N4f/BN-Si3N4陶瓷基复合材料力学性能和热震损伤行为
赵蕾等：Si3N4/BN复合陶瓷材料研究进展
（中国粉体网编辑整理/空青）
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