Жидкофазное спекание керамики на основе Si3N4 с комплексными оксидными добавками

В.В. Холодова, Д.И. Вершинин, Н.Е. Щеголева
UDC
666.7
DOI
10.18577/2307-6046-2026-0-7-134-144
Article PDF (Russian) (1.35 MB)
How to cite
В.В. Холодова, Д.И. Вершинин, Н.Е. Щеголева Жидкофазное спекание керамики на основе Si3N4 с комплексными оксидными добавками // Труды ВИАМ. 2026. № 7. DOI: 10.18577/2307-6046-2026-0-7-134-144. URL: https://www.viam-works.ru/journal/2026/7/10
Keywords
нитрид кремния, жидкофазное спекание, спекающие добавки, активация спекания, свободное спекание, уплотнение
Abstract

Исследовано влияние состава и концентрации спекающих добавок на процесс спекания, формируемую микроструктуру и физико-механические свойства керамики на основе нитрида кремния. Установлено, что повышение концентрации 
комплексов добавок с 5 до 15 % (по массе) способствует увеличению средней плотности и уровня физико-механических свойств керамики на основе Si3N4. В ходе спекания наблюдается полное превращение α-Si3N4 в β-Si3N4 с образованием вытянутых кристаллов. Характер спекания и формируемая микроструктура в значительной степени зависят от состава и свойств расплава добавок.
 

Reference list
  1. Klemm H. Silicon nitride for high-temperature applications // Journal of the American Ceramic Society. 2010. Vol. 93. No. 6. P. 1501–1522.
  2. Kita H., Hirao K., Hyuga H. et al. Review and overview of silicon nitride and SiAlON, including their applications // Handbook of Advanced Ceramics: Materials, Applications, Processing, and Properties. Elsevier Inc., 2013. 1213 p.
  3. Hampshire S. Silicon nitride ceramics – review of structure, processing and properties // Journal of achievements in materials and manufacturing engineering. 2007. Vol. 24. No. 1. P. 43–50.
  4. Tan D.W., Zhu L.L., Wei W.X. et al. Performance improvement of Si3N4 ceramic cutting tools by tailoring of phase composition and microstructure // Ceramics International. 2020. Vol. 46. No. 16. P. 26182–26189.
  5. Nakashima Y., Zhou Y., Tanabe K. et al. Effect of microstructures on dielectric breakdown strength of sintered reaction-bonded silicon nitride ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2023. Vol. 106. No. 2. P. 1139–1148.
  6. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 7–17.
  7. Громов В.И., Якушева Н.А., Востриков А.В., Черкашнева Н.Н. Высокопрочные конструкционные стали для валов газотурбинных двигателей (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 1 (62). С. 3–12. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 20.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-1-3-12.
  8. Ерасов В.С., Сибаев И.Г. Схема разработки и оценки свойств конструкционных авиационных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 1 (70). С. 61–81. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 20.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-1-61-81.
  9. Евдокимов С.А., Щеголева Н.Е., Качаев А.А. Способы соединения керамических композиционных материалов на основе SiC с керамическими и металлическими материалами (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 3 (68). С. 75–83. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 20.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-3-75-83.
  10. Бабинова А.А., Князев А.В., Беляченков И.О., Сорокин О.Ю. Испытания на стойкость керамических материалов к высокотемпературной коррозии при температуре 900 °С // Авиационные материалы и технологии. 2025. № 1 (78). С. 99–110. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 20.02.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2025-0-1-99-110.
  11. Беляченков И.О., Щеголева Н.Е., Чайникова А.С., Ваганова М.Л., Шавнев А.А. Влияние спекающих и модифицирующих добавок на процесс спекания и свойства нитридокремниевой керамики // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 70–78. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-70-78.
  12. Викулин В.В. Производство изделий на основе Si3N4 и их применение в авиационно-космической промышленности // Перспективные материалы. 2006. № 5. С. 14–19.
  13. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Нитрид кремния и материалы на его основе. М.: Металлургия, 1984. 137 с.
  14. Косолапов Т.Я., Андреев Т.В., Бартницкая Т.Б. и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1985. 224 с.
  15. Kumar A., Gokhale A., Ghose S., Aravindan S. Effect of nano-sized sintering additives on microstructure and mechanical properties of Si3N4 ceramics // Materials Science and Engineering: A. 2019, vol. 750, pp. 132–140.
  16. Перевислов С.Н., Чупов В.Д. Получение высокоплотных материалов на основе ультрадисперсного порошка нитрида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 3. С. 17–23.
  17. Attia M.A.A., Ewais E.M.M. Hot pressed Si3N4 ceramics using MgO–Al2O3 as sintering additive for vehicle engine parts // Refractories and Industrial Ceramics. 2020. Vol. 61. No. 4. P. 384–392.
  18. Wang W., Pan Y., Zeng Y.P. et al. Effect of sintering aids content and powder characteristics on gas pressure sintered Si3N4 ceramics // Ceramics International. 2024. Vol. 50. No. 5. P. 8260–8268.
  19. Jiang Q.G., Guo W.M., Liu W. et al. Influence of powder characteristics on hot-pressed Si3N4 ceramics // Science of Sintering. 2017. Vol. 49. No. 1. P. 81–89.
  20. Zhao C.C., Kim M.J., Lee J.W. et al. Mechanical properties and stability of Si3N4 ceramics treated by hot isostatic pressing // Ceramics International. 2025. Vol. 51. No. 24. P. 41474–41481.
  21. Santos C., Strecker K., Baldacim S.A. et al. Influence of additive content on the anisotropy in hot-pressed Si3N4 ceramics using grain orientation measurements // Ceramics International. 2004. Vol. 30. No. 5. P. 653–659.
  22. Перевислов С.Н. Механизм жидкофазного спекания карбида и нитрида кремния с оксидными активирующими добавками // Стекло и керамика. 2013. Т. 86. № 7. С. 34–38.
  23. Перевислов С.Н. Материалы на основе карбида и нитрида кремния с оксидными активирующими добавками для изделий конструкционного назначения: автореф. дис. … д-ра техн. наук. СПб, 2018. 203 с.
  24. Лысенков А.С. Конструкционная керамика на основе нитрида кремния с добавкой алюминатов кальция: дис. … канд. техн. наук. М., 2014. 139 с.
  25. Lee H.M., Tatami J., Kim D.K. Microstructural evolution of Si3N4 ceramics from starting powders with different α-to-β ratios // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2016. Vol. 124. No. 8. P. 800–807.
  26. Tatami J., Toyama M., Noguchi K. et al. Effect of TiO2 and AlN additions on the sintering behavior of the Si3N4–Y2O3–Al2O3 System // Key Engineering Materials. 2003. Vol. 247. P. 83–86.
  27. Yu F.L., Bai Y., Han P.D. et al. Spark plasma sintering of α/β Si3N4 ceramics with MgO–Al2O3 and MgO–Y2O3 as sintering additives // Journal of Materials Engineering and Performance. 2016. Vol. 25. No. 12. P. 5220–5224.
  28. Andreev P., Drozhilkin P., Alekseeva L. et al. Spark plasma sintering of Si3N4 ceramics with Y2O3–Al2O3 (3 %–10 % wt.) as sintering additive // Coatings. 2023. Vol. 13. No. 2. P. 240.
  29. Lysenkov A.S., Ivicheva S.N., Titov D.D. et al. Silicon nitride ceramics with light-melting sintering additive in CaO–TiO2 system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 525. No. 1. P. 012080.
  30. Satet R.L., Hoffmann M.J., Cannon R.M. Experimental evidence of the impact of rare-earth elements on particle growth and mechanical behavior of silicon nitride // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 422. No. 1–2. P. 66–76.
  31. Marchi J., Guedes e Silva C.C., Silva B.B. et al. Influence of additive system (Al2O3–RE2O3, RE = Y, La, Nd, Dy, Yb) on microstructure and mechanical properties of silicon nitride-based ceramics // Materials Research. 2009. Vol. 12. P. 145–150.
  32. Tatami J., Chen I.W., Yamamoto Y. et al. Fracture resistance and contact damage of TiN particle reinforced Si3N4 ceramics // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2006. Vol. 114. No. 1335. P. 1049–1053.
  33. Huang J.W., Dong X.F., Lv X.A. et al. Microstructure and mechanical properties of highly dense Si3N4 ceramics with ZrN–AlN–Re2O3 (Re = Yb, Y, Nd, Ce, La) additives // Ceramics International. 2024. Vol. 50. No. 1. P. 429–437.
  34. Tatami J., Katashima T., Komeya K., Meguro T., Wakihara T. Electrically conductive CNT-dispersed silicon nitride ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2005. No. 88 (10). P. 2889–2893.