摘要
Si3N4作为一种先进的结构陶瓷具有弯曲强度高、抗蠕变性能好和硬度高等优良的性能。然而，传统的氮化硅陶瓷由于断裂韧性差，导致热损容限低，可靠性差。受自然界中生物仿生结构的启发，本实验主要以SiC作为界面层，以Si3N4作为基体层，采用流延成型和热压烧结的方式制备出层状Si3N4/SiC陶瓷，研究了试样基本的力学性能、抗氧化性能和抗热震性能。 采用流延法制备流延片，当浆料中粘结剂聚乙烯醇缩丁醛的含量为20wt.%，增塑剂聚乙二醇的含量为5wt.%，分散剂甘油的含量为2wt.%，固含量为0.33g/ml时制备出的基体层流延片表面光滑，无明显缺陷。对于SiC界面层流延片，最佳配比为：粘结剂和增塑剂含量分别为15wt.%和10wt.%，固含量为0.1g/ml。 根据界面层的配比不同，制备了两种层状Si3N4/SiC陶瓷,为LSN-1（界面层的配比为SiC-20vol.%Si3N4）和LSN-2（界面层的配比为SiC-20vol.%ZrB2）。LSN-1基体层和界面层厚度分别为250μm和30μm，LSN-2为300μm和40μm。LSN-1、LSN-2和SN的相对密度分别为98.4%、99.1%和99.4%。LSN-1、LSN-2和SN的弯曲强度分别365MPa、371MPa和706MPa，界面层较厚且存在一定的孔洞，使层状试样整体的致密性降低，因而强度降低。层状LSN-1、LSN-2陶瓷的断裂韧性分别13.3MPa·m1/2和11.6MPa·m1/2，分别比单相SN陶瓷提高了48.8%和41.3%，韧性的提高是由于试样断裂时，裂纹发生了偏转，延长了扩展路径，增加了断裂功。同时层状试样明显上升的R-曲线行为，使安全性和可靠性得到提高。 层状LSN-1和单相SN试样在1300℃的氧化增重量随氧化时间增加而增加，氧化时间为5h，LSN-1和SN的氧化增重量分别为0.957mg/cm2和0.762mg/cm2，整体增重量较少。当氧化时间为0.5h，LSN-1弯曲强度和断裂韧性分别为385MPa和13.9MPa·m1/2，分别提高了4.7%和5.1%，这是由于生成SiO2玻璃相，形成了保护膜，愈合了表面裂纹。当氧化时间为5h，试样的弯曲强度和韧性相比室温分别下降了24.2%和39.8%，是因为表面生成许多裂纹和气孔，容易使应力集中，从而使力学性能下降。 层状LSN-1和单相SN陶瓷残余强度随热震温差的增加，整体呈现下降的趋势。在400℃和800℃的热震温差下，LSN-1和SN的表面没有明显的孔洞和缺陷存在，看不到明显氧化的痕迹，残余强度保持率分别在80%和65%以上。当热震温差为1000℃时，LSN-1依然保持较好的残余强度，是由于试样本身存在孔洞，消除了应力集中。
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