中國粉體網(wǎng)訊  晶須是在人工控制條件下合成的一種高強度須狀的單晶體。其晶體結構比較完整，內部缺陷少，其強度和模量均接近理想晶體。因此，晶須常作為增強組分加到金屬基體、陶瓷基體和高分子基體中起增強、增韌作用。

以往關于碳化硅晶須的研究較多。碳化硅晶須的強度和模量確實優(yōu)于氮化硅晶須，但Si₃N₄晶須比SiC具有更優(yōu)良的耐高溫、高強度、高模量、低膨脹和良好的化學穩(wěn)定性，被認為是增強金屬和陶瓷材料的理想增強組元。

氮化硅晶須結構特點

氮化硅晶須有2種晶型：α-Si₃N₄和β-Si₃N₄。兩者都屬六方晶系。一般認為α-Si₃N₄屬低溫穩(wěn)定晶型，β-Si₃N₄屬高溫穩(wěn)定晶型。在氮化硅晶須生長的過程中，有研究表明其生長具有方向性，且α-Si₃N₄和β-Si₃N₄有所差異。α-Si₃N₄晶須可沿<10-10>、<10-11>和<0001>方向生長。其中沿<10-10>方向生長α-Si₃N₄晶須的一側有大量的微小結晶體；生長方向為<10-11>α-Si₃N₄晶須的一側有大量的復合面缺陷；生長方向為<0001>的α-Si₃N₄晶須的中間有芯，兩側有平行于（0001）面的缺陷。β-Si₃N₄晶須的生長方向為<10-10>，且晶須中幾乎觀察不到任何缺陷。

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物化性能

與碳化硅晶須相比，氮化硅晶須具較高的強度，通常其拉伸強度可達13.8GPa，是碳化硅晶須的5倍。還具有高彈性模量（390GPa）、低膨脹系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性。用氮化硅晶須作為增強體時，晶須性能及要求因基體的不同而不同。

氮化硅晶須的制備方法

氮化硅晶須制備方法有氣相法、液相法、固相法，常用的方法有直接氮化法、化學氣相沉積法、碳熱還原法、鹵化硅氣相氨分解法、自蔓延法等。可以采用等離子體氣相反應法制備的無定型氮化硅超細粉末為原料，通過在1450℃氮氣氣氛下，2h熱處理，使無定型的氮化硅轉化為α相氮化硅，并生長出α-Si₃N₄晶須。也有研究者采用二氧化碳和石墨為原料分別在1200～1300℃和1250～1400℃流動氮氣中制備了α-Si₃N₄晶須和β-Si₃N₄晶須。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)α-Si₃N₄晶須表面光滑，有大量缺陷，且有很多分叉晶須；但β-Si₃N₄晶須的表面光滑，看不到缺陷，分叉的晶須也很少。

晶須生長的影響因素

1、溫度

溫度升高有利于提高晶體的轉化率。產(chǎn)物在1400℃時兩相共存，在1850℃時只有β相。另外，伴隨著溫度的升高，氮化硅晶體由線狀變?yōu)殚L柱狀。

2、添加劑

添加劑的選擇及用量對于提高氮化率、轉化率、晶須生長具有明顯的影響。添加劑的使用有利于晶須的制備，但用量過多會使產(chǎn)物純度降低；用量過少又不足以實現(xiàn)完全氮化。

3、晶須生長中的保護氣氛

采用自蔓延高溫合成法，指出α-Si₃N₄的生成與氣態(tài)反應有關，尤其與氣態(tài)的一氧化硅和氮氣的反應有關。在普通氮氣中，含有少量的雜質氧和水蒸氣，少量氧有利于SiO的生成，少量水蒸氣有利于SiO的氮化，因此普通氮氣中α相含量比高純氮氣中高。而另有研究者發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，氮氣作保護氣氛，由于雜質氧引入時的生長出的晶須出現(xiàn)大量的缺陷。當采用氨氣作保護氣氛時，由于氨氣會首先與氧反應，進而保護了氮化硅，使生長的晶須光滑，無明顯的缺陷。

4、晶須生長中液相的影響

晶須生長中存在的液相，對晶須的生長行為及組成都有直接的關系，可通過控制液滴的尺寸、組成，來控制晶須的直徑和性能。一般認為，對液滴的控制可以自然引入(即從制備晶須的設備中獲得)、從原料中引入和通過氣相引入的方法。

氮化硅晶須的應用現(xiàn)狀

晶須強化增韌被認為是解決材料高溫韌性的有效方法，既保持了基體材料的主要特色，又通過晶須改善了基體的性能，而且與連續(xù)纖維強化增韌相比，晶須增韌的工藝更為簡單，因此，各種先進復合材料對晶須的需要量不斷增加。用氮化硅晶須作為增強體時，與碳化硅晶須增強陶瓷晶須陶瓷基復合材料相類似，復合材料的性能會因基體的不同而不同，相應也就有了不同的用途，廣泛應用于航空、航天、機械加工與制造等領域中。

氮化硅晶須增強熔融石英材料的性能。發(fā)現(xiàn)補強后的熔融石英材料的熱膨脹系數(shù)小，具有良好的抗熱震性，且熱震后的強度較高。但同時又有研究表明氮化硅晶須和石英玻璃在高溫下易于發(fā)生化學反應而使基體嚴重破壞，妨礙了該材料在高溫下的使用。

氮化硅晶須增韌碳化硅陶瓷復合材料中，既保留了碳化硅陶瓷優(yōu)良的耐高溫、抗蠕變、抗氧化、抗化學腐蝕、耐磨等性能，又具有比碳化硅陶瓷更高的強度和韌性，最高使用溫度可達1400℃以上，且二者有良好的物理相容性，化學性質相近，界面的結合力較強。

氮化硅晶須增韌氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷及玻璃等其他基體的復合材料時，其性能都不同程度的得到了改善。氮化硅晶須補強氮化硅陶瓷，由于增強體與基體的同質性，使兩者具有很好的物理和化學相容性，使材料的復合性能得到較好的發(fā)揮。

晶須作為一種新型的增強材料，由于其優(yōu)良的性能在復合材料中得到廣泛應用。晶須的生長機理研究還不完善，制備技術也有待進一步研究，以提高晶須的產(chǎn)率，適應商品化生產(chǎn)的要求。同時，生產(chǎn)成本也是關注的熱點，可從選擇廉價的原料入手，促進技術更新，從而充分利用資源，促進晶須增韌復合材料工業(yè)的發(fā)展。

參考來源:

[1]李甫.氮化硅晶須結構性能研究及其應用現(xiàn)狀

[2]王煥磊等.氮化硅晶須的研究現(xiàn)狀

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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