——织构化结构陶瓷浅谈

刘海涛

现代科技的进步与高新技术的发展对传统材料提出了更为严峻的挑战，人们不再满足于现有材料已有的优势与性能水平，甚至不再满足于传统材料性能逐年有所提高的步伐。对结构陶瓷材料来说，大多数都是晶体材料，如何利用晶体本身存在的各向异性，既可以保持结构材料原有的全部传统特点，又可使必要的性能在特定方向得到显著的提高，这是材料生产者和研究者十分关注的焦点。因此，采用一定的微结构调控手段，使结构陶瓷材料微观结构中的各向异性的晶粒实现沿着某些特定方向进行规则排列，或在这些方向上出现取向几率增大，使其择优生长，制备织构化陶瓷成为了提高传统结构陶瓷性能的一个独辟蹊径的方法。

各向异性是晶体材料最基本的本征特性，同时各向异性也会出现在各种多晶体材料的制备过程中。在材料的凝固、形变、再结晶、固态相变、烧结和热处理等制备过程中，材料往往会在各向异性的力场、电场、磁场、温度梯度场等外界物理条件下以及化学驱动力、晶界能、相界能、表面能以及其他材料组织结构内在因素的作用下生成特定的各向异性，并会按照特定的规律发生演变。材料在各向异性外场下进行加工的基本规律决定了各向异性的晶体会以不同的形式形成非随机的多晶取向分布形态，即形成各种类型的织构。

对结构陶瓷的织构化来说，织构化氮化硅陶瓷无疑是最典型的一例。织构化氮化硅陶瓷的制备和研究有着相对悠久的历史，同时，又在随着科技的发展不断引入着新理念和新技术推动其继续发展。目前，研究和采用最多的是如下三种方法（如图一所示）：

1. 热加工法：主要包括热压法、热锻法和烧结热锻法等。热加工法主要是利用了在高温下，通过施加外力使晶粒内部位错运动和晶粒晶界滑移，从而使各向异性的陶瓷晶粒实现定向排列。热处理技术中研究最多的是热锻技术，它是将试样先经过一段时间的普通烧结后，在试样上加上单轴压力，并且保持一段时间，最终获得织构化氮化硅陶瓷。

2. 模板晶粒生长法：主要包括挤出法和流延法等。其原理是通过模板生长来驱动晶体的生长。一般的模板晶粒生长法可分为三个阶段：模板定向分布、晶体生长以及制备出最终的样品。由于模板氮化硅晶种为棒状，在模板和材料混合定向时能够形成较高的定向排列度，因此，在烧结过程中，模板晶粒会在消耗基体细粉体的基础上长大形成最终的织构化陶瓷产物。

3. 强磁场定向法：近年来，随着高温超导技术的发展，超导磁体摆脱了对液氦、液氮等冷却剂的依赖，强磁场发生技术实现了突破性进展，稳恒磁场的产生成为可能。从材料学角度，由于强磁场下电磁力的作用范围可达到原子尺度，因此非铁磁性材料在强磁场中也可表现出一系列显著的现象，这意味着磁场应用范围有可能从传统的铁磁性材料为主扩大到整个材料领域，是磁场应用的一个重大突破。科研工作者将强磁场方法引入陶瓷材料领域，可以方便的实现陶瓷材料的织构化。强磁场定向方法实现陶瓷织构化的过程是在悬浮液固化过程中，利用强磁场使各种非磁性陶瓷颗粒（如Si3N4）定向排列，在随后的烧结过程中形成织构结构。与前两种方法相比，强磁场方法是一种新型且高效的方法，它对晶粒形貌没有限制，操作简单，对于非立方结构的晶粒，只要制备出分散性良好的浆料，即使是抗磁性粒子，利用此方法均能实现其织构化，其最大的特点是可以非常彻底的实现晶粒的晶格定向。

采用上述微结构调控方法制备的织构化氮化硅陶瓷，其性能具有明显的各向异性。相比于目前提高结构陶瓷性能的传统方法，如调整陶瓷制备工艺，添加其它相制备复相陶瓷或添加第二相进行颗粒增强等，制备织构化陶瓷能够在保持结构材料原有性能的同时，又可使必要的性能在特定方向得到显著的提高（如图二所示）。织构化结构陶瓷制备技术的发展，推动着结构陶瓷材料性能研究向更高的高峰攀登，同时，也为结构陶瓷材料的实际应用提供了广阔的发展平台。