氮化硅陶瓷摩擦磨损性能研究进展
氮化处理对陶瓷材料耐磨性能的提升研究
氮化处理对陶瓷材料耐磨性能的提升研究氮化处理是一种常见的陶瓷材料表面改性技术，可以显著提高陶瓷材料的耐磨性能。
本文将介绍氮化处理对陶瓷材料耐磨性能提升的研究。
氮化处理是通过在陶瓷材料表面形成一层氮化物薄膜来增强材料的硬度和耐磨性。
一种常见的氮化处理方法是离子注入氮化，即将陶瓷材料放入含氮离子的离子注入设备中，利用高能离子注入技术将氮离子注入材料表层，形成氮化物薄膜。
研究表明，氮化处理可以显著提高陶瓷材料的硬度和耐磨性。
氮气化合物膜能使陶瓷表面硬度提高5倍以上，耐磨性能提高10倍以上，大大延长了陶瓷材料的使用寿命。
氮化处理还能增加材料的抗腐蚀性能和耐高温性能，提高了陶瓷材料的综合性能。
氮化处理对陶瓷材料耐磨性能提升的机制主要有以下几个方面。
首先，氮化物薄膜的形成提高了材料表层的硬度，使其能够更好地抵抗磨损。
其次，氮化物薄膜的形成改善了材料表面的摩擦特性，减小了磨擦系数，减少了磨损。
此外，氮化处理还能提高材料的表面光洁度，减少表面粗糙度，进一步减小了磨损。
在氮化处理中，影响陶瓷材料耐磨性能提升的因素有很多。
首先是氮化时间和温度的选择，过长或过高的处理条件会导致氮化物层过厚，反而影响陶瓷材料的性能。
其次是离子注入能量的选择，能量过低会导致氮化物层的形成不完全，能量过高会导致陶瓷材料的晶体结构破坏。
此外，还要考虑氮化处理前的材料表面处理等因素。
总的来说，氮化处理是一种有效的提高陶瓷材料耐磨性能的方法。
通过形成氮化物薄膜，可以显著提高陶瓷材料的硬度和耐磨性，延长其使用寿命。
然而，氮化处理还存在一些问题，如处理温度和时间的选择、氮化物层的粘附性等，需要进一步研究和改进。
未来，可以进一步研究氮化处理对不同类型陶瓷材料的影响，探索更好的氮化处理方法，提高陶瓷材料的耐磨性能。
氮化处理是一种常见的陶瓷材料表面改性技术，可以显著提高陶瓷材料的耐磨性能。
本文将进一步介绍氮化处理对陶瓷材料耐磨性能提升的相关内容。
在陶瓷材料中，氮化物薄膜的形成是提高材料硬度和耐磨性的关键。
汽车发动机用氮化硅陶瓷的摩擦特性
汽车发动机用氮化硅陶瓷的摩擦特性近年来，随着汽车发动机工作条件的不断改善，对发动机的耐磨性要求也更高。
作为汽车发动机的关键部件之一，活塞环等零部件具有较高的抗磨损性要求，而氮化硅陶瓷材料作为新型抗磨成份，成为汽车发动机零部件加工材料的研发焦点。
氮化硅陶瓷是一种以氮化硅（Si3N4）为基础的陶瓷材料，由于具备良好的机械性能、耐高温和耐腐蚀性，因此在机械零部件的研发中起到了重要作用。
特别是它的摩擦特性，使其在汽车发动机零部件的研发中备受关注。
氮化硅陶瓷具有优越的摩擦特性。
它具有较低的摩擦系数，摩擦力小，从而减少对汽车发动机零件的摩擦损耗。
此外，由于它的热稳定性较好，其热稳定性使得它在高速运转时可以保持其稳定性，避免摩擦力的突然变化带来的热损耗。
另外，氮化硅陶瓷具有良好的耐腐蚀性，由于其具有良好的酸碱耐受性，可长期使用而毫无损坏。
此外，具有良好的密封性，通过提高密封性来有效减少对汽车发动机的漏油损耗。
氮化硅陶瓷的摩擦特性是一种成本效益的可靠性技术，可以显著改善汽车发动机的摩擦性能。
作为新型抗磨材料，氮化硅陶瓷由于其优异的摩擦特性，在汽车发动机零部件的研发中备受关注。
目前，氮化硅陶瓷已成为汽车发动机零部件研发领域的可靠性技术。
由于其具有较低的摩擦系数、良好的热稳定性及耐腐蚀性以及良好的密封性，因此可以显著改善汽车发动机的耐磨性能。
在汽车发动机零部件研发过程中，氮化硅陶瓷将给汽车发动机的可靠性带来极大的改善。
因此，研究和发展氮化硅陶瓷在汽车发动机零部件中的摩擦特性具有重要意义，必须加以重视和努力。
要加强对氮化硅陶瓷材料的基础研究，以提高其性能，提高其在汽车发动机零部件研发中的应用性，为优化汽车发动机的整体性能做出贡献。
综上所述，氮化硅陶瓷是一种新型的耐磨损材料，具有优异的摩擦特性，在汽车发动机零部件的研发中具有重要意义。
它是一种成本效益的可靠性技术，有助于优化汽车发动机的性能。
在调整发动机工作条件时，应注重利用氮化硅陶瓷材料的摩擦特性，以改善发动机的可靠性技术。
氮化硅陶瓷刀具的研磨过程与切削力分析
氮化硅陶瓷刀具的研磨过程与切削力分析氮化硅陶瓷刀具是一种采用氮化硅作为主要原料制成的刀具材料，具有高硬度、耐磨、耐高温和化学稳定性等优点，广泛应用于机械加工领域。
为了保证氮化硅陶瓷刀具的切削性能和使用寿命，研磨过程的控制和切削力的分析显得尤为重要。
本文将对氮化硅陶瓷刀具的研磨过程与切削力进行详细分析。
首先，氮化硅陶瓷刀具的研磨过程是指通过研磨工艺将刀具加工为所需的形状和精度。
氮化硅陶瓷具有高硬度和脆性，因此研磨过程中需要选择合适的研磨工具和研磨参数，以避免产生过大的切削力和表面损伤。
研磨工具一般采用金刚石砂轮，研磨参数包括研磨速度、进给速度和研磨深度等。
合理选择研磨工具和参数可以保证刀具的加工精度和表面质量，同时减小切削力。
其次，切削力是指在切削过程中刀具所承受的力，对于氮化硅陶瓷刀具来说，切削力直接影响其切削性能和使用寿命。
切削力的大小与切削过程中的切削力系数、切削速度和切削深度等参数密切相关。
刀具的切削力系数是刻画切削力与切削速度和切削深度之间关系的一个重要参数，它的大小与刀具材料的性质、切削条件和磨削方式等因素有关。
对于氮化硅陶瓷刀具的切削力分析，可以从刀具的材料性质和切削条件两个方面进行。
首先，氮化硅陶瓷具有高硬度和脆性，因此在切削过程中往往会产生较大的切削力。
其次，切削条件包括切削速度、切削深度和进给速度等参数，这些参数的变化会直接影响切削力的大小。
一般来说，切削速度越高，切削力越大；切削深度越大，切削力越大；进给速度越大，切削力越大。
因此，在使用氮化硅陶瓷刀具进行切削时，需要合理选择切削条件，以减小切削力。
此外，刀具的切削力还与刀具的刃磨状态和刃磨方式等因素密切相关。
刀具的刃磨状态对切削力的大小和切削性能有着重要影响。
磨削时，刀具表面会产生一定的磨痕和残留应力，这些磨痕和残留应力会影响刀具的切削性能和切削力。
因此，在刃磨过程中需要选择合适的磨削方式和参数，以保证刃磨质量和切削性能。
综上所述，氮化硅陶瓷刀具的研磨过程和切削力分析对于保证刀具的性能和使用寿命至关重要。
氮化硅陶瓷件的表面处理与改性研究
氮化硅陶瓷件的表面处理与改性研究摘要：氮化硅陶瓷是一种重要的结构陶瓷材料，具有优异的耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能。
然而，由于其表面特性的限制，氮化硅陶瓷的应用受到一定的制约。
因此，研究氮化硅陶瓷件的表面处理与改性方法具有重要的理论和实践意义。
1. 引言氮化硅陶瓷作为一种新兴的结构陶瓷材料，具有很大的潜力应用于航空、能源、机械等领域。
然而，其表面性能的限制制约了其应用范围。
因此，对其进行表面处理与改性研究是提高氮化硅陶瓷性能的关键。
2. 表面处理方法2.1 化学处理化学处理是改善氮化硅陶瓷表面性能的一种常用方法。
其中，酸洗、电化学氧化等技术可以去除表面氧化膜，增加表面活性位点，提高陶瓷的界面结合强度。
此外，还可以通过溶胶-凝胶法、浸涂法等方法，在氮化硅陶瓷表面形成一层致密、均一的包覆膜，进一步提高其性能。
2.2 物理处理物理处理方法主要包括喷砂、磨削、抛光等。
通过这些方法，可以使氮化硅陶瓷表面获得一定的粗糙度，增加其表面积，提高陶瓷与环境的相互作用能力。
2.3 等离子体处理等离子体处理可以通过气体放电等方法，在氮化硅陶瓷表面形成氮化层、硅化物层等功能性薄膜，改善氮化硅陶瓷的摩擦、耐磨性能。
此外，等离子体处理还可以在氮化硅陶瓷表面形成纳米颗粒，增加陶瓷的界面黏附能力和表面硬度。
3. 表面改性方法3.1 表面涂层表面涂层是一种常用的表面改性方法。
通过在氮化硅陶瓷表面涂覆一层金属膜、陶瓷膜等材料，可以改变氮化硅陶瓷的化学性质和物理性质，提高其性能。
例如，涂覆氟碳树脂膜可以增加氮化硅陶瓷的耐腐蚀性能；涂覆钛膜可以提高氮化硅陶瓷的生物相容性。
3.2 离子注入离子注入是一种将外加离子注入到氮化硅陶瓷表面的方法，通过改变氮化硅陶瓷的表面组分和结构，实现对陶瓷性能的改善。
例如，通过注入铝离子可以形成硅氧化物和氮化铝的复合层，提高氮化硅陶瓷的磨损性能和导热性能。
3.3 表面合金化表面合金化是一种在氮化硅陶瓷表面形成金属和陶瓷元素的共晶或共析结构的方法。
氮化硅陶瓷件的表面涂层与改性研究
氮化硅陶瓷件的表面涂层与改性研究氮化硅陶瓷作为一种新型的高温结构材料，具有出色的力学性能、耐高温性能和耐磨损性能，因此在航空航天、汽车制造和化工等领域得到广泛应用。
然而，氮化硅陶瓷的一些缺点，如易吸湿、低抗裂性和较差的耐热震性能，限制了其进一步应用的发展。
为了克服氮化硅陶瓷的缺点，并提升其性能，研究人员开始关注表面涂层和改性技术。
表面涂层是通过在氮化硅陶瓷表面施加一层特殊涂层来改善其性能。
涂层可以增加氮化硅陶瓷的密封性、防腐蚀性和耐磨损性，同时减小摩擦系数和表面粗糙度。
目前，常用的表面涂层材料有硅酸盐、钛、氮化硅等。
这些涂层可通过化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法等技术实现。
同时，改性技术也是改善氮化硅陶瓷性能的重要方法之一。
常用的改性技术包括导入添加剂、增强复合材料和应用纳米技术。
导入添加剂是将适量的其他材料添加到氮化硅陶瓷矩阵中，以改变其晶体结构和力学性能。
常用的添加剂有碳化硅、氮化铝和氧化物等。
增强复合材料是将氮化硅陶瓷与其他增强材料组合，以提高强度、韧性和耐磨性。
纳米技术的应用可以通过纳米颗粒、纳米涂层和纳米复合材料等方式，改善氮化硅陶瓷的性能。
对于氮化硅陶瓷的表面涂层研究，目前的研究主要集中在硅酸盐、钛和氮化硅涂层上。
硅酸盐涂层具有良好的粘附性、高温稳定性和耐磨损性，可提高氮化硅陶瓷的表面硬度和抗裂性能。
钛涂层具有较高的耐磨损性和良好的氧化防护性，可改善氮化硅陶瓷的高温稳定性和耐腐蚀性。
氮化硅涂层可增加氮化硅陶瓷的密封性和防腐蚀性能，同时降低其摩擦系数。
这些涂层的制备方法包括化学气相沉积、物理气相沉积和溅射法等。
对于氮化硅陶瓷的改性研究，导入添加剂是常用的方法之一。
碳化硅作为添加剂可提高氮化硅陶瓷的热震稳定性和抗裂性能。
氮化铝可提高氮化硅陶瓷的力学性能和高温耐磨性能。
氧化物添加剂可以在氮化硅陶瓷中形成稳定的氧化层，提高其耐腐蚀性能。
此外，纳米技术的应用也显示出潜力。
纳米颗粒的添加可以增加氮化硅陶瓷的密实性和硬度。
氮化硅基陶瓷的摩擦磨损特性研究
浙江理工大学学报,第25卷,第1期,2008年1月Journal of Zhejiang Sci 2Tech U niversityVol.25,No.1,J an.2008文章编号:167323851(2008)0120079204收稿日期:2007-06-14作者简介:孟凡英(1976- ),女,河北张家口人,硕士研究生,从事表面工程、结构陶瓷材料摩擦学研究。
氮化硅基陶瓷的摩擦磨损特性研究孟凡英,郭绍义,刘曾岭,李兴俊,张术永(浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州310018) 摘 要:采用热压烧结方法制备氮化硅和氮化硅基两种陶瓷。
利用球2盘式摩擦磨损试验机对氮化硅陶瓷摩擦副在室温干摩擦环境中的摩擦磨损特性试验研究。
结果表明:在相同的试验条件下,加入TiC 颗粒改善了Si 3N 4陶瓷的脆性,但耐磨性能提高不大,磨损率略优于Si 3N 4。
Si 3N 4的磨损主要是磨粒磨损和脆性剥落,而TiC 复合材料的磨损表现为磨粒磨损和TiC 颗粒的剥落,之后剥落的TiC 颗粒又作为磨粒对试样产生更大的磨损,所以导致磨损率提高。
关键词:Si 3N 4;Si 3N 42TiC ;摩擦磨损性能中图分类号:T H117.1 文献标识码:A0 引 言陶瓷材料具有高硬度、低密度、耐磨性、耐磨损等优良的性能,在机械、冶金、化工、航空航天等领域已得到广泛的应用[1],其中Si 3N 4陶瓷就是一种很重要的陶瓷材料,主要应用在切削工具和加工硬质合金[2]以及滚动轴承等领域。
由于Si 3N 4陶瓷断裂韧性较差,研究者采用了各种不同的增韧强化形式来提高材料的性能,引入第二相粒子来提高氮化硅基复合材料的性能是当前复合材料研究的热点,如孙兴伟等[3]研究了第二相粒子TiN ,TiB 2的引入对氮化硅陶瓷材料性能和显微结构的影响;邹红等[4]通过加入TiN 颗粒改善了Si 3N 4陶瓷的脆性,但降低了复合材料的耐磨性能;Szafran 等[5]研究了在Si 3N 42Al 2O 32Y 2O 3中加入增强相TiC 颗粒,提高了复合陶瓷的硬度和断裂韧性;黄新平等[6]采用纳米TiC 作为增强相,制备了Si 3N 4/TiC_(nano )复合陶瓷材料。
氮化硅陶瓷牙科修复材料研究进展
氮化硅陶瓷牙科修复材料研究进展摘要：氮化硅陶瓷牙科修复材料作为一种新型高性能陶瓷牙科修复材料已经引起广泛关注。
其优点包括高硬度、高强度、高温度稳定性、良好的生物相容性等。
本文综述氮化硅陶瓷牙科修复材料的制备及应用领域，着重介绍了其在全瓷牙修复、全口修复、种植修复、颜色修复、外科修复和辅助设备制作等方面的应用。
同时，还对当前研究中存在的问题及未来研究方向进行了分析和探讨。
关键词：氮化硅陶瓷；牙科修复材料；研究一、氮化硅胶瓷的基本特性1. 化学成分和微观结构特性：氮化硅陶瓷是由氮化硅（Si3N4）颗粒和玻璃相组成的复合材料。
其中，氮化硅晶体的晶粒尺寸一般为0.5~3μm，玻璃相的成分包括硅酸盐和氧化铝。
氮化硅陶瓷具有高硬度，高抗磨性、高强度、高耐热性、低密度、低热膨胀系数、优异的绝缘性能和化学稳定性。
2. 物理力学性能：氮化硅陶瓷具有极高的硬度（达到20GPa以上）、优异的抗弯强度、抗压强度和断裂韧性。
其力学性能取决于氮化硅晶体和玻璃相之间的相互作用，因此，材料的制备方法和烧结工艺对其力学性能有很大影响。
3. 生物相容性：氮化硅陶瓷在医学领域应用广泛，如人工关节、牙科种植体等医疗器械中均有使用。
其生物相容性良好，不会引起明显的毒性反应和排斥反应，而且能够促进骨细胞的附着和生长，有利于修复和再生骨组织。
然而，其使用仍需谨慎，需要充分考虑材料的生物相容性、力学性能和制备工艺等因素。
二、氮化硅陶瓷牙科修复材料的优缺点氮化硅陶瓷牙科修复材料被广泛应用于牙科修复领域，并受到了牙医和患者的认可。
以下是氮化硅陶瓷牙科修复材料的优缺点。
（一）优点1. 良好的生物相容性：氮化硅陶瓷材料具有良好的生物相容性，不引起过敏、溶解或其他不良反应。
2. 良好的美观性：氮化硅陶瓷材料具有良好的透明度和颜色稳定性，与牙齿自然相似，可以有效地改善牙齿的外表美观度。
1 北京中医药大学东直门医院口腔科3. 良好的力学性能：氮化硅陶瓷材料具有良好的强度和硬度，可以承受牙齿的咬合力和咀嚼力。
氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究
氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究摘要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。
工程陶瓷具有硬度高、强度高、耐磨损、热膨胀系数低以及绝缘等优良性能，被广泛应用于机械和航空等领域。
由于陶瓷材料具有硬脆特性，磨削加工是其主要的加工方式。
在陶瓷磨削加工过程中，涉及到力学、热学、材料学以及化学等多学科问题，在多场强作用下的磨削机理有待进一步揭示。
与其他加工方式不同的是，在磨削过程中去除单位体积材料需要大量的能量，这些能量最终都以热的形式进行转化，只有一小部分用于形成新的表面，这会导致磨削区产生较高的磨削温度，而表面温度过高又会对陶瓷表面质量、加工精度、加工效率以及砂轮磨损产生很大影响。
此外，陶瓷材料的抗热冲击性能差，高温时会在磨削表面形成烧伤与热裂纹，极大影响其使用寿命。
本文就氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展展开探讨。
关键词：工程陶瓷；磨削温度；表面/亚表面；裂纹扩展；改善机制引言切削过程中由于工件表层材料受到剪切滑移、剧烈摩擦、高温高压等作用，发生严重的塑性变形，从而在工件表面上产生残余应力。
加工残余应力将直接影响工程陶瓷零件的断裂应力、弯曲强度、疲劳强度及耐腐蚀能力。
工程陶瓷作为硬脆性工程材料，零件的断裂应力和韧性对表面应力状态比金属敏感的多。
同时无论残余压应力与拉应力会对零件的断裂韧性，及零件裂纹的生成与扩展具有重要影响，尤其是对裂纹的生成与扩展。
而裂纹的存在极大影响零件的使用性能与寿命，因此研究工程陶瓷的残余应力与裂纹扩展关系尤为重要。
1磨削温度场的理论分析1.1干磨条件认为在干磨的条件下约有75%、69%、50%的耕犁热、摩擦热和切削热在磨削过程中被传入工件当中。
所以分析计算磨削温度的首要前提是确定传入工件的磨削热量的比例，即传热比φ，，其中qw为磨削时传入工件的热流密度，qt为磨削时磨削区产生总的热流密度，由磨削热分配比来间接研究磨削热。
因此把参与磨削磨粒的温度与一维传热模型相互联系，进而建立一个基于边界条件下的磨削热分配比模型:（1）式中，j为蓄热系数，与陶瓷材料有关;θa为参与磨削磨粒的前端瞬时温度;θo为磨削在磨削过程中的均匀温度;R为假设金刚石磨粒;半径F为切向磨削t力;vs为砂轮的线速度。
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氮化硅陶瓷摩擦磨损性能研究进展汪彩芬，徐 俊，白 彬，赖新春，佘瑞峰，杨少青（表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７）摘要 对氮化硅摩擦磨损性能相关影响因素及磨损机制进行了总结归纳，系统介绍了氮化硅摩擦磨损性能与材料性能、环境因素（介质、温度、载荷）、配对摩擦副材料因素的相关研究进展，提出了目前研究存在的问题，并展望了氮化硅摩擦磨损性能研究趋势。
关键词 氮化硅 摩擦性能 磨损行为 腐蚀中图分类号：ＴＢ３８３ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＮｉｔｒｉｄｅＷＡＮＧ Ｃａｉｆｅｎ，ＸＵ Ｊｕｎ，ＢＡＩ Ｂｉｎ，ＬＡＩ Ｘｉｎｃｈｕｎ，ＳＨＥ Ｒｕｉｆｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｓｈａｏｑｉｎｇ（Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９０７）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｌａ－ｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ，ｅｎ－ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐａｉｒｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ，ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ 汪彩芬：女，１９８７年生，硕士，主要从事结构陶瓷研究 Ｔｅｌ：０８１６－３６２０７４１ Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｉｆｅｎ２００９＠１６３．ｃｏｍ０ 引言高性能结构陶瓷与高分子、金属结构件等相比，具有耐高温、耐腐蚀、高硬度等优势，能显著延长工程部件的使用寿命，节约材料和能源，得到工程制造者的重视与青睐。
氮化硅陶瓷除具有高温结构陶瓷共有的耐高温、高硬度、耐腐蚀特性外，相比于其他陶瓷还具有高强度、高断裂韧性、高弹性模量和优良的自润滑性，因此，在高精尖领域的轴承、密封等方面应用越来越广泛，比如更高热效率的陶瓷发动机、更长寿命的核反应堆冷却剂泵轴封陶瓷密封环、机械用陶瓷轴承等。
因此，氮化硅陶瓷的摩擦磨损性能研究成为热点和前沿之一。
１ 陶瓷摩擦磨损机理及影响因素有关陶瓷摩擦磨损机理的报道有许多，主要有［１，２］：（１）干摩擦条件下，陶瓷主要发生脆性断裂、开裂与碎裂，并进而引发磨粒磨损，润滑条件下，主要发生摩擦化学磨损；（２）在载荷和滑动速度都比较低的情况下，磨损机理为粘着与剥落，当载荷和滑动速度较高时，发生粘着与剥落的同时，更主要是陶瓷磨损表面发生熔化，熔化部分在摩擦过程中脱落，受冷后凝固成片状磨屑；（３）非氧化物陶瓷可能为摩擦氧化及氧化层的脱落磨损。
但陶瓷的摩擦磨损性能受材料自身性质、环境条件（介质、压力、温度等）、配对摩擦副材料等众多因素的影响，目前还没有一个通用机理能解释所有陶瓷的摩擦磨损现象。
２ 氮化硅摩擦磨损性能与材料的关系２．１ 氮化硅陶瓷Ｓｉ３Ｎ４是强共价键原子化合物，其原子扩散系数低，导致烧结致密化困难，而Ｓｉ３Ｎ４在１８５０℃常压下会分解，常需添加烧结助剂或施加压力促进烧结。
氮化硅的常见烧结方式及对应性能见表１［３－６］，常用烧结助剂及其作用见表２［５，７］。
陶瓷通常表现为脆性断裂，一般需要通过添加第二相如晶须、纤维等实现增韧。
而氮化硅具有“自增韧”的特性，原因在于Ｓｉ３Ｎ４有２种晶型（α－Ｓｉ３Ｎ４和β－Ｓｉ３Ｎ４），其中β－Ｓｉ３Ｎ４为长柱状，在断裂过程中可以分散裂纹扩展能力，实现增韧。
同时，β相氮化硅硬度大于α相，故通常高性能氮化硅制品要求高含量的β－Ｓｉ３Ｎ４。
２．２ 摩擦磨损性能与材料性能的关系β－Ｓｉ３Ｎ４有利于提高材料断裂韧性，但是否有利于提高氮化硅的摩擦磨损性能还无定论。
Ｃａｒｒａｓｑｕｅｒｏ等［８］认为长柱状β－Ｓｉ３Ｎ４既能提高制品的断裂韧性和强度，又能提高其耐磨损性；但Ｚｕｔｓｈｉ［９］、Ｋｉｍ等［１０］认为细小晶粒虽会降低材料的断裂韧性，但有助于提高其耐磨性。
而Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｍｉｙａｚａｋｉ等［１１］认为，单独考虑断裂韧性或硬度，难以建立其与摩擦磨损性能的关系，通过实验测试表明氮化硅陶瓷耐磨性与ＫＩＣ１／２ Ｈ５／８（ＫＩＣ为断裂韧性，Ｈ为硬度）呈线性关系。
而在这之前，Ｗａｙｎｅ等［１２］研究陶瓷的磨粒磨损特性与材料力学性能的关系时证明耐磨性与ＫＩＣ３／４ Ｈ１／２呈线性关系。
研究结果虽然受实验条件的影响而存在一定差异，但可以肯定，对于无·９１３·氮化硅陶瓷摩擦磨损性能研究进展／汪彩芬等第二相增韧的氮化硅陶瓷，高硬度和高韧性制品在同等实验条件下更耐磨。
有学者希望通过添加第二相增韧来提高氮化硅断裂韧性进而提高其摩擦磨损性能，但研究成果也具有多样性。
孟凡英等［１３］通过添加碳化钛实现增韧，但实验表明，在高载荷下，添加的硬质增强相在磨损过程中脱落分离会进一步加剧制品的磨损。
Ｊ Ｍ Ｃａｒｒａｐｉｃｈａｎｏ等［１４］通过添加ＳｉＣ来实现增韧，但发现添加１０％ＳｉＣ（质量分数）能增强耐磨性，添加３０％ＳｉＣ（质量分数）却会导致耐磨性降低。
这些研究表明添加颗粒增强相是否对提高制品耐磨性有利取决于工作条件，当工作条件导致摩擦副为磨粒磨损时，硬质增强相的存在反而会增加磨损量，降低耐磨性。
表１ 不同烧结方式氮化硅制品的性能参数Ｔａｂｌｅ １ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ性能反应烧结常压烧结热压烧结气压烧结热等静压相对密度／％７０～８８ ９５～９９ ９９～１００ ９７～９９．６ ９９～１００抗弯强度／ＭＰａ １５０～３５０ ６００～９５０ ４５０～１２００ ６００～１０００ ６００～１２００弹性模量／ＧＰａ １２０～２５０ ２８０～３００ ３００～３２０ ２９０～３２０ ３００～３２０断裂韧性／（ＭＰａ·ｍ１／２）１．５～３ ３～６ ４～７ ６～８ ４～７硬度ＨＲＡ ８３～８５ ８８～９１ ９１～９３ ９０～９２ ９１～９３线膨胀系数／（×１０－６／℃）２．５～３．０ ２．８～３．２ ３．０～３．５ ２．８～３．３－表２ 氮化硅常用烧结助剂及其作用机理Ｔａｂｌｅ ２ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｉｄｓ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ烧结助剂作用效果备注ＭｇＯ可以保障液相形成和制得高致密氮化硅材料液相形成是氧化镁与氧化硅相互作用的结果稀土氧化物形成高耐火度和粘度的玻璃晶界相稀土多存在于晶界处，经热处理易析出二次小晶粒复合添加剂Ｙ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３可使氮化硅获得最佳烧结，制得高强度氮化硅在该相参与下，氮化硅烧结最充分ＭｇＯ－ＣｅＯ２可提高材料的高温性能，使材料具有优异的常温性能烧结初期，形成液相；烧结后期，ＭｇＯ析晶减少玻璃相 通过添加碳纤维实现氮化硅陶瓷增韧和耐磨性的研究目前结论基本一致。
Ｈｉｄｅｋｉ Ｈｙｕｇａ等研究了碳纤维增韧氮化硅在干摩擦［１５］、水润滑［１６］（高载荷低转速）条件下，与氮化硅配副或与不锈钢配副［１７］时的摩擦磨损性能，结果均表明，碳纤维的固体润滑效应能够提高氮化硅陶瓷的耐磨性；同时研究表明干摩擦条件下，纤维含量为５％（体积分数）时摩擦系数是不含纤维氮化硅制品的３０％，纤维含量继续增加，摩擦系数不再减小。
制品的气孔率也会影响氮化硅的摩擦磨损性能。
兰州大学李波等［１８］研究了反应烧结和常压烧结两种氮化硅制品的摩擦磨损特性，其中反应烧结氮化硅气孔率２２．７％，硬度１０ＧＰａ，断裂韧性２．７ＭＰａ·ｍ１／２，常压烧结氮化硅气孔率１．７％，硬度１２ＧＰａ，断裂韧性３．２ＭＰａ·ｍ１／２。
测试采用拴盘式摩擦试验机，在室温下进行，对偶小球为ＧＣｒ１５。
研究表明，常压烧结氮化硅的摩擦系数高于反应烧结氮化硅，但其耐磨性要好得多，据分析，可能是由于摩擦系数与氮化硅表面生成的ＳｉＯ２膜有关，反应烧结氮化硅气孔多更易发生表面化学变化，而磨损性能与材料整体力学性能有关，常压烧结氮化硅力学性能显然优于反应烧结。
由于氮化硅摩擦磨损性能测试受实验条件及工作条件影响，目前还没有建立氮化硅摩擦磨损性能与材料性能的直接对应关系。
２．３ 摩擦磨损性能与材料成分的关系氮化硅陶瓷属于多晶材料，其性能往往取决于组织结构，而组织结构的形成与材料成分密不可分。
Ｈｉｄｅｋｉ Ｈｙｕｇａ等［１９，２０］研究了添加不同稀土氧化物（Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３）的热压烧结氮化硅在干摩擦条件下的磨损性能，实验表明低载荷下，较小阳离子半径添加物（Ｌｕ３＋、Ｙｂ３＋）能导致更强的晶界连接强度和更高的耐温性，导致耐磨性更强；而在高载荷下，磨损以脆性断裂为主，Ｌｕ２Ｏ３的添加能导致更强的晶界连接和更高程度的脆性破坏，进而导致磨损率增加。
Ｗｅｏｎ－Ｊｕ Ｋｉｍ等［１０］针对氮化硅制品的核电应用（反应堆冷却剂泵密封环、核控制棒驱动装置导辊等），研究了水热条件（３００℃，９ＭＰａ）下氮化硅的腐蚀行为。
氮化硅采用Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ为添加剂，制品密度为３．１ｇ／ｃｍ３，断裂韧性为６．０ＭＰａ·ｍ１／２，实验在不锈钢高压锅内进行。
研究表明，添加Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ的氮化硅在３００℃、９ＭＰａ水中腐蚀严重，腐蚀反应符合杨德尔扩散方程［１－（１－α）１／３］２＝ｋｔ，如图１所示，腐蚀速率受反应活性组分扩散速率控制。
其中，α为被腐蚀部分所占的质量分数，ｋ为速度常数，ｔ为腐蚀时间。
研究还表明，晶界玻璃相首先被腐蚀，在短暂腐蚀后制品强度急剧下降。
若要提高氮化硅陶瓷在高温高压水中的抗腐蚀性，有必要改变添加剂和进行晶界控制（如晶界晶化）。
他们同时研究了含４种不同添加剂（４％Ｙ２Ｏ３＋１％ＳｉＯ２（４Ｙ１Ｓ），４％Ｙ２Ｏ３＋３％Ａｌ２Ｏ３（４Ｙ３Ａ），６％Ｙ２Ｏ３＋２％Ａｌ２Ｏ３（６Ｙ２Ａ），８％Ｙ２Ｏ３（８Ｙ），质量分数）的制品腐蚀实验，结果表明４Ｙ１Ｓ腐蚀·０２３·材料导报 ２０１３年１１月第２７卷专辑２２最严重，Ｙ２Ｏ３含量的增加能提高掺杂Ｙ２Ｏ３／Ａｌ２Ｏ３的氮化硅的抗腐蚀性。