纳米氮化硅(Si3N4)超塑性压缩试验研究

摘要

氮化硅(Si3N4)是性能优异的工程陶瓷.超塑性压缩实验研究是,以Si3N4纳米材料(3nm～8nm)为基体,并加入少量的烧结助剂Y2O3-Al2O3,经热压烧结后将其制成压缩试件;经磨削的压缩试件为(7×7×5)的正六面体(单位为mm);在超塑性变形温度和速度分别为1640°C和0.02mm/min的条件下,试件呈现出该材料的超塑性性能--断面扩展率达170％,真应变ε=1.015,超塑性变形后的抗弯强度达400MPa.电镜照片的分析是,超塑性变形后的试样断口形貌特征呈塑性断裂且晶粒长大很明显,大约长大4～10倍;超塑性的变形量越大或变形温度越高,塑性断裂和晶粒长大就越明显.理论上,经超塑性变形后,试样的抗弯强度应不发生变化;但试验结果却有所不同.原因是,第一,内部微裂纹较多,变形程度过大,应力值过大;第二,超塑性压缩变形产生明显的趋向性,沿双向延伸方向晶粒的迅速长大使抗弯试验时垂直压制方向的应力大大降低;第三,材料中偏多的玻璃相引起材料的强度值不高,此外,热压试样实测密度(2.7g/cm3)远小于Si3N4材料的理论密度(3.18g/cm3).超塑变形中,Si3N4除本身晶界滑移外,其玻璃相的存在是变形量增大的重要因素;如何将这两种因素引起的变形量区分开还有待进一步研究.试验结果表明,将纳米级粉料Si3N4热压烧结后可使其具有超塑性.这为Si3N4陶瓷通过超塑性变形可成形耐高温结构件的应用(例如涡轮)提供了一种崭新的途径,目前国内尚未见到有关类似的报导.