摘要
氮化硅(Si3N4)陶瓷由于其高硬度、低密度、高抗压强度和优异的抗热震性，被认为是超高转速航空发动机转子轴承的潜在材料。由于 Si3N4属于强共价键陶瓷，且滑移系数低，导致 Si3N4陶瓷断裂韧性较差，难以满足航空发动机转子轴承的实际需求。因此，制备出一种高韧性 Si3N4陶瓷材料显得尤为重要。本文通过第一性原理分析了Ti、Co及Mo原子掺杂β-Si3N4的电子结构及弹性性质，以此在电子层面探索Si3N4材料力学性能的转变机制。然后以α-Si3N4粉为原料粉体，以氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)等烧结助剂，分别以氮化钛(TiN)、氧化钴(CoO)和硅化钼(MoSi2)作为强韧相，通过调控强韧相含量以及烧结温度从而制备出力学性能良好的 Si3N4陶瓷，并采用机器学习方法对掺杂增韧氮化硅陶瓷的力学性能开展预测研究。具体内容如下： (1) 利用第一性原理模拟了 Ti、Co 及 Mo 原子掺杂 β-Si3N4体系的电子结构和弹性性质，结果表明：Ti、Co掺杂β-Si3N4体系的带隙均低于β-Si3N4，特别注意的是由于Mo原子的掺杂导致掺杂结构带隙消失。说明掺杂对体系的带隙影响较大；通过对三种掺杂体系的弹性计算可知，所有掺杂结构具有较好的弹性性质，弹性顺序为 Co ＞ Mo ＞ Ti。与纯 Si3N4相比，Ti、Co 和 Mo 掺杂体系均表现出更好的弹性性能，其中Co掺杂体系韧性变化最显著，这为后续强韧性Si3N4陶瓷的研究提供了可行性依据。 (2) 以 α-Si3N4 为原料，Y2O3-Al2O3 为烧结助剂，分别以 TiN、CoO、MoSi2为强韧相，采用放电等离子烧结的方式制备了 Si3N4陶瓷材料。对制备的 Si3N4陶瓷进行物相分析以及微观结构观察之后进行利用维氏硬度仪测试材料硬度，利用三点弯曲法以及压痕法测量材料抗弯强度以及断裂韧性。对于 Ti N 掺杂体系，由于TiN颗粒对陶瓷基体裂纹的屏蔽作用，在1800℃温度下，TiN含量为10%时抗弯强度最大为924 MPa。而断裂韧性最大出现在 1800℃下 TiN 含量为 5%时，为8.48 MPa·m1/2。对于CoO掺杂体系，CoO与Si3N4高温下反应产生结晶相CoSi。Si3N4基体与CoSi颗粒之间的残余压应力使裂纹扩展发生偏转，利于力高材料力学性能。最大抗弯强度出现在1750℃下CoO含量为10%时，为882 MPa。在1700℃下 CoO 含量为 10%时断裂韧性最大为 7.46 MPa·m1/2。对于 MoSi2掺杂体系，随着MoSi2含量的升高，抗弯强度有所升高最后普遍接近于800 MPa左右。在1700℃下 MoSi2添加量为 10 wt%时抗弯强度达到峰值为 922 MPa。在 1800℃下 MoSi2含量为 5%时断裂韧性最大为 9.76 MPa·m1/2，这主要是由于 MoSi2颗粒导致裂纹的偏转导致。综上所述，MoSi2对氮化硅在增韧效果最佳。 (3) 采用神经网络对实验数据进行学习，研究了不同激活函数以及优化器对实验数据的发掘作用。通过对实验添加的强韧相含量、Al2O3含量、Y2O3含量、烧结压力，烧结温度等烧结工艺的学习从而预测出材料的断裂韧性。结果表明，利用Relu激活函数与RMSProp优化器的线性组合对实验数据泛化能力较好。预测准确度较好，数据验证集的R2为0.838。
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