高熵硼化物含量对Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构与性能的影响

摘要

氮化硅(Si_(3)N_(4))陶瓷具有广泛的工业应用潜力,但其硬度和断裂韧性往往难以兼顾,这会限制到Si_(3)N_(4)陶瓷的应用。为了获得兼具高硬度和高韧性的Si_(3)N_(4)陶瓷,以高熵硼化物(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)为添加剂,使用放电等离子烧结法在1600℃制备了Si_(3)N_(4)陶瓷材料。研究了(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)对Si_(3)N_(4)陶瓷的相组合、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明:与未添加(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷相比,在较低的烧结温度下(1600℃),仅添加1.0%(体积分数)的(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)就能将β-Si_(3)N_(4)的质量分数从38%提高到53%,获得双峰显微结构。因而,Si_(3)N_(4)基陶瓷的断裂韧性从(5.4±0.3)MPa·m^(1/2)提升到(6.9±0.2)MPa·m^(1/2),而硬度维持在(20.2±0.2)GPa。随着高熵硼化物的含量增加到2.5%和5.0%,Si_(3)N_(4)基陶瓷致密度降低且相变进一步增加,导致硬度降低。