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。