豆鵬飛

(長慶油田公司 陜西 榆林 718100)

前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)新材料的研究和應(yīng)用不斷提出更高的要求，傳統(tǒng)的金屬材料越來越難以滿足這種日益發(fā)展的要求，急待開發(fā)新型材料。多年來，通過研究工作者們的不懈努力，在材料的制備工藝和性能方面取得了很大的進(jìn)展。由于人們認(rèn)識(shí)到陶瓷的潛在優(yōu)勢和難以克服的弱點(diǎn)，工程陶瓷材料越來越受到世界上許多材料研究者的高度重視，并取得了許多突破性進(jìn)展。隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)等技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽烁叩囊螅仁谷藗內(nèi)ふ冶饶蜔岷辖鸶艹惺芨邷?，比普通陶瓷更能抵御化學(xué)腐蝕的材料[1]。Si3N4的出色表現(xiàn)，激起了人們對(duì)它的熱情和興趣。英、法的一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)率先開始對(duì)Si3N4進(jìn)行系統(tǒng)研究，深入認(rèn)識(shí)它的結(jié)構(gòu)性能、探索燒結(jié)方法、開拓應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，Si3N4陶瓷制品已經(jīng)開始向產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化邁進(jìn)。目前人們通過對(duì)其進(jìn)行廣泛深入仔細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷材料是最有希望在高科技領(lǐng)域中能得到廣泛應(yīng)用的候選材料。Si3N4陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有強(qiáng)度高、抗熱震穩(wěn)定性好、高溫蠕變小、耐磨、優(yōu)良的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，是優(yōu)良的工程陶瓷之一[2]。

1 氮化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

Si3N4有兩種晶型，即α-Si3N4(顆粒狀晶體)和β-Si3N4(長柱狀或針狀晶體)，均屬六方晶系，都是由[SiN4]四面體共用頂角構(gòu)成的三維空間網(wǎng)絡(luò)。且相是由幾乎完全對(duì)稱的6個(gè)[SiN4]組成的六方環(huán)層在c軸方向重疊而成。α相是由兩層不同且有變形的非六方環(huán)層重疊而成，α相結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低，內(nèi)部應(yīng)變比β相大，故自由能比β相高，α相在較高溫度下(1 400～1 600 ℃)可轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷Ｒ虼擞腥藢ⅵ痢猄i3N4稱為低溫型，是不穩(wěn)定的；β-Si3N4稱為高溫型，是穩(wěn)定的。

將高純硅在1 200～1 300 ℃氮化可得到白色或灰白色的α-Si3N4，而在1 450 ℃左右氮化可得到β-Si3N4。α-Si3N4在1 400～1 600 ℃加熱，會(huì)轉(zhuǎn)變成β-Si3N4，因而人們?cè)J(rèn)為，α相和β相分別為低溫和高溫兩種晶型。但隨著進(jìn)一步深入的研究，很多現(xiàn)象不能用高、低溫兩種晶型來解釋，最明顯的是低于相變溫度的反應(yīng)燒結(jié)Si3N4中，α、β相幾乎同時(shí)出現(xiàn)，最后β相占10%～40%。又如在SiCl4-NH3-H2系中加入少量TiCl4，1 350～1 450 ℃可直接制備出β-Si3N4，該系在1 150 ℃生成沉淀，然后于Ar氣中1 400 ℃熱處理6 h，得到的僅是α-Si3N4?？磥碓撓抵械摩?Si3N4不是由α相轉(zhuǎn)變來的，而是直接生成的。Si3N4的α相和β相結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 α-Si3N4相結(jié)構(gòu)

圖2 β-Si3N4相結(jié)構(gòu)

研究證明：α相→β相是重建式轉(zhuǎn)變，認(rèn)為α相和β相除了在結(jié)構(gòu)上有對(duì)稱性高低的差別外，并沒有高低溫之分，β相只不過在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的；α相對(duì)稱性低，容易形成。在高溫下α相發(fā)生重建式轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為β相，某些雜質(zhì)的存在有利于α相→β相的轉(zhuǎn)變。

α相和β相的晶格常數(shù)相差不大，而α相的晶格常數(shù)c約為β相的兩倍。這兩個(gè)相的密度幾乎相等，在相變過程中不會(huì)引起體積的變化。在1個(gè)大氣壓下，1 900 ℃左右Si3N4發(fā)生分解。Si-N間以共價(jià)鍵結(jié)合，鍵合強(qiáng)度高。用X射線分析方法測得α相和β相的平均熱膨脹系數(shù)分別為3.0×10-6/℃和3.6×10-6/℃。α相和β相的顯微硬度分別為16～10 GPa和32.65～24.5 GPa。

原子結(jié)構(gòu)表明，Si的外層電子為3s23p2，即有4個(gè)外層電子，當(dāng)它和氮原子形成共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，外層電子變?yōu)?個(gè)sp3雜化軌道，是空間的，需與4個(gè)氦原子成鍵，每個(gè)氮原予給出1個(gè)電子共價(jià)，Si的外層滿8個(gè)電子。這樣就形成了[SiN4]四面體結(jié)構(gòu)。對(duì)于氮原子，外層有5個(gè)電子，與Si原子鍵和時(shí)，有一個(gè)p軌道自己耦合，這樣只要有3個(gè)Si原子各提供1個(gè)電子與N的sp2軌道鍵合，外層就滿8個(gè)電子。所以它的周圍有3個(gè)Si原予距離最近，這個(gè)sp2是平面雜化軌道，另外兩個(gè)本身鍵合的sp2電子就垂直于這個(gè)平面。因此Si原子位于N的四面體中，而N處在Si的正三角形之中。由于Si、N原子都達(dá)到電子滿殼層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，電子受束縛，因而電阻率很高。

氮化硅(Si3N4)陶瓷是無機(jī)非金屬強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其基本結(jié)構(gòu)單元為[SiN4]四面體(如圖3所示)，硅原子位于四面體的中心，4個(gè)氮原子分別位于四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，然后以每3個(gè)四面體共用一個(gè)硅原子的形式在三維空間形成連續(xù)而又堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氮化硅的許多性能都是因?yàn)槠渚哂羞@種特殊的結(jié)構(gòu)，因此Si3N4結(jié)構(gòu)中氮原子與硅原子間結(jié)合力很強(qiáng)，其作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，素有陶瓷材料中的“全能冠軍”之稱，氮化硅陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好，可耐氧化到1 400 ℃，熱腐蝕性能好，耐大多數(shù)酸侵蝕，摩擦系數(shù)小，與用油潤滑的金屬表面相似等優(yōu)異性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并有很多潛在用途[3]。

(a)氮化硅四面體 (b)氮化硅晶胞

氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)是影響其熱力學(xué)性能和機(jī)械性能的重要因素。氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與原始粉料的性質(zhì)、制造方法及工藝參數(shù)等諸多因素有著密切的關(guān)系。如原始粉料的組成、雜質(zhì)含量、粉料粒度和外形，助燒劑的種類和用量，燒結(jié)方法和燒結(jié)溫度等。尤其重要的是顆粒邊界層的結(jié)合基質(zhì)的相組成和化學(xué)組成以及助燒劑的相組成。含助燒劑的氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)的形成受燒結(jié)過程中形成的液相的控制。在氮化硅陶瓷制品燒成時(shí)，1 400 ℃助燒劑與α-Si3N4粉末表面上原有的SiO2形成液相，α-Si3N4熔化進(jìn)入液相中，穩(wěn)定的β-Si3N4從液相中析出，冷卻時(shí)硅酸鹽液相凝固成為結(jié)合基質(zhì)。氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)主要由α-Si3N4、β-Si3N4和基質(zhì)相組成。α-Si3N4、β-Si3N4同屬六方晶系，但晶型不同，α-Si3N4為等軸結(jié)晶，β-Si3N4為棱柱狀結(jié)晶。氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)按結(jié)合方式可分為三類：第一類為單結(jié)晶相材料，助燒劑與Si3N4可形成范圍寬廣的固溶體，燒結(jié)后形成直接結(jié)合的單相材料；第二類為無定形基質(zhì)結(jié)合氮化硅，助燒結(jié)劑與Si3N4僅能形成有限固溶體，燒結(jié)后氮化硅顆粒的周圍形成不易析晶的不定形晶間次要相；第三類為結(jié)晶基質(zhì)結(jié)合的Si3N4，即晶間次要相為結(jié)晶相或容易發(fā)生析晶作用的不定形結(jié)合基質(zhì)。

1.1 單結(jié)晶相氮化硅陶瓷

以Al2O3、AlN和SiO2或它們的混合物作為助燒劑制得的氮化硅陶瓷屬于這種結(jié)構(gòu)。通常以SiAlON表示這兩種氧化物和兩種氮化物構(gòu)成的系統(tǒng)。在燒結(jié)過程中，α-Si3N4通過液相再結(jié)晶轉(zhuǎn)化成β-Si3N4。β-SiAlON固溶體是從β-Si3N4結(jié)晶衍生出來的，其組成為Si6-xAlxN8-xOx(0≤x≤4.2)。這里可以把它看成是硅被鋁取代，氮被氧取代，純粹是替代形成的固溶體，陽離子(Si、Al)與陰離子(N、O)數(shù)值比為3∶4。能溶于β-Si3N4中并形成同樣類型固溶體的陽離子還有Be2+。氮化鋁也同樣存在類似的固溶體，陽離子與陰離子數(shù)值比從3∶4變化到9∶10。

1.2 無定形基質(zhì)結(jié)合氮化硅陶瓷

在這類材料中，應(yīng)用最廣泛的助燒劑為MgO。材料在1 500 ℃以下燒結(jié)過程中，由于Si3N4未發(fā)生分解，其所含氮的擴(kuò)散系數(shù)很小，Si3N4顆粒保持不變，僅在氧化物MgO和SiO2之間發(fā)生固相反應(yīng)，形成MgSiO3或Mg2SiO4。在1 500 ℃以上形成富硅液相，并有Si3N4熔化，由于熔體中存在氮、氧化物的析出受到抑制。材料的致密化依靠組成接近MgSiO3-SiO2共熔點(diǎn)的液相，燒成后最終獲得的是氮化硅晶粒被無定形基質(zhì)結(jié)合的材料。

1.3 結(jié)晶質(zhì)基質(zhì)結(jié)合氮化硅陶瓷

由Y2O3或Y2O3與Al2O3作為Si3N4的助燒劑時(shí)，通過液相燒結(jié)機(jī)理發(fā)生致密化。在1 700 ℃以上可以得到Si3N4·Y2O3和少量的Y2Si2O7N2結(jié)晶相。在β-SiAlON—石榴石系中，對(duì)燒結(jié)制品在進(jìn)行熱處理，也可以得到以石榴石為邊界次要相的氮化硅制品。屬于這類制品的另一種重要添加物是ZrO2。如果僅向Si3N4中加ZrO2，燒結(jié)時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)，但不會(huì)導(dǎo)致其致密化：

如果同時(shí)加入Al2O3和AlN，則通過液相燒結(jié)可以獲得以β-SiAlON與ZrO2為平衡相的致密材料。ZrO2以分散相的形式彌散在β-SiAlON中，ZrO2顆粒可發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變使β-SiAlON材料的韌性增加。

2 氮化硅增韌的研究

雖然氮化硅具有良好的性能，但是它也具有陶瓷的共性——脆性，所以想要在更多的領(lǐng)域應(yīng)用氮化硅陶瓷就需要解決氮化硅陶瓷的脆性。傳統(tǒng)的增韌方式有相變?cè)鲰g、彌散增韌、纖維增韌、自增韌等一些方法[3]。近些年來隨著碳材料的發(fā)展，出現(xiàn)一些新的碳同素異形體，如碳納米管、富勒烯、石墨烯等，這些碳的新結(jié)構(gòu)具有良好的彈性、柔韌性、高拉伸強(qiáng)度、良好導(dǎo)熱性，所以將這些材料和氮化硅陶瓷粉體混合，制備較高韌性的氮化硅陶瓷具有很大的研究意義。

2.1 碳納米管增韌氮化硅陶瓷

理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極好的韌性。碳納米管的力學(xué)性能優(yōu)良,其強(qiáng)度約為鋼100倍，密度卻只有鋼的1/6，且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性，被認(rèn)為是未來的“超級(jí)纖維”。由于具有極高的比強(qiáng)度、比楊氏模量，碳納米管被認(rèn)為是一種理想的先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體[4]。只有CNTs均勻地分散到基體中去，才能最大程度地發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)作用以及功能特性?？梢哉f，均勻分散是制備高性能CNTs/陶瓷復(fù)合材料的前提。CNTs直徑小且縱橫比大，表面積大且易團(tuán)聚，這一方面導(dǎo)致均勻分散的難度非常大，另一方面也導(dǎo)致制備高體積含量CNTs/陶瓷復(fù)合材料的難度也非常大，而足夠的CNTs體積分?jǐn)?shù)對(duì)于增強(qiáng)效果和功能特性是很重要的。球磨混合、超聲混合、使用表面活性劑、原位合成是目前報(bào)道的提高分散均勻性的方法。其中,原位合成可以制備出分散均勻且體積含量高的CNTs/陶瓷復(fù)合材料，值得深入研究;CNTs-Si3N4納米陶瓷復(fù)合材料的相組成主要為α-Si3N4、β-Si3N4和Si2N2O，碳納米管在燒結(jié)過程中能保持良好的熱穩(wěn)定性。CNTs-Si3N4納米陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均隨碳納米管的含量的增加呈先升后降的趨勢，其最大值分別在CNTs含量為2wt%和4wt%時(shí)獲得。碳納米管含量為2wt%時(shí)，硬度略有提高，隨碳納米管含量的繼續(xù)增加而逐漸降低。碳納米管增韌納米氮化硅陶瓷材料的主要機(jī)制為碳納米管的拔出、橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制。納米氮化硅陶瓷的熱震行為符合Hasselman的經(jīng)典模型，起始粉末中適量α-Si3N4粉末的存在，能提高納米氮化硅的抗熱震性能。

將碳納米管加入到氮化硅粉末中制備碳化硅陶瓷時(shí)，碳納米管進(jìn)入氮化硅陶瓷材料孔隙中，使材料致密度提高；另一方面碳納米管阻礙了復(fù)合材料燒結(jié)時(shí)的融合，使致密度降低。當(dāng)碳納米管含量較少時(shí)，其可被氮化硅粉末有效地分散，較少團(tuán)聚，所以以填充為主。隨著添加量的增加，阻礙作用顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致其致密度下降。硬度的變化是碳納米管的纖維增強(qiáng)、形變強(qiáng)化以及對(duì)致密度的影響共同作用的結(jié)果。當(dāng)碳納米管含量較低時(shí)，碳化硅材料的致密度和纖維增強(qiáng)效果同時(shí)增加，所以硬度有所增加；當(dāng)碳納米管含量接近一定量時(shí)，氮化硅材料的致密度下降超過纖維增強(qiáng)的效果，碳納米管的黏連現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了纖維的長徑比，隔斷了氮化硅基體的連續(xù)性，使材料的硬度顯著降低；當(dāng)碳納米管繼續(xù)增加時(shí)，聚集的碳納米管則成為微裂紋源，使其無法致密，性能更差。碳納米管增韌氮化硅陶瓷的斷裂為沿晶斷裂，碳納米管的加入使晶界的強(qiáng)度相對(duì)降低，當(dāng)承受外力作用時(shí)，首先從弱晶界處發(fā)生斷裂。碳納米管的加入使氮化硅陶瓷的燒結(jié)有一定的阻礙作用，也就是說碳納米管的加入使氮化硅陶瓷的致密化需要的燒結(jié)溫度有所提高，碳納米管在氮化硅陶瓷致密度較好的情況下，可以提高其斷裂韌性。同時(shí)碳納米管的引入，導(dǎo)致了陶瓷復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的變化。陶瓷復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，隨著碳納米管加入量的增加而降低。這是因?yàn)闊Y(jié)溫度提高促進(jìn)了燒結(jié)體內(nèi)相轉(zhuǎn)變過程，凈化晶粒，降低晶格缺陷，提高了熱導(dǎo)率；碳納米管的引入對(duì)燒結(jié)致密化和相轉(zhuǎn)變過程均有一定的抑制作用，且碳納米管在陶瓷局部團(tuán)簇且分散于晶界處，而團(tuán)簇體結(jié)構(gòu)松散、有空隙，降低了材料整體的熱導(dǎo)率。

碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料的主要機(jī)制為纖維拔出機(jī)制(如圖4所示)，在微裂紋尖端，碳納米管對(duì)裂紋張開產(chǎn)生阻力，由于碳納米管的高彈性，在拉伸時(shí)會(huì)分散一部分能量，使得裂無法繼續(xù)擴(kuò)展，由此提高了氮化硅陶瓷的韌性。郝云春等研究了碳納米管的作用，他們認(rèn)為碳納米管一方面進(jìn)入氮化硅陶瓷材料的孔隙，使復(fù)合材料的致密度提高；另一方面碳納米管阻礙復(fù)合材料燒結(jié)時(shí)的融合，使致密度降低。郝云春等[4]也研究了碳納米管含量對(duì)氮化硅陶瓷的影響。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳納米管含量較低時(shí)，其可以被氮化硅粉末有效的分散，較少團(tuán)聚，以填充為主；隨著其含量的增加，阻礙作用顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致致密度下降。硬度的變化是碳納米管的纖維增強(qiáng)，當(dāng)碳納米管加入量低于1%時(shí)，氮化硅材料的致密度和纖維增強(qiáng)效果同時(shí)增加，所以硬度有所增加；當(dāng)碳納米管加入量接近2%時(shí)，氮化硅材料的致密度下降超過纖維增強(qiáng)的效果，碳納米管粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了纖維的長徑比，隔斷了氮化硅基體的連續(xù)性，使材料的硬度顯著降低。

圖4 碳納米管增韌—拔出橋聯(lián)機(jī)制

碳納米管增韌需要解決的難題就是如何更好的將碳納米管均勻的分散在氮化硅陶瓷中。由于碳納米管比表面積大，表面能高，碳管之間以較強(qiáng)的范德華力團(tuán)聚在一起，尤其是有機(jī)物催化裂解法制備的碳納米管經(jīng)常彎曲纏繞在一起。此現(xiàn)象的產(chǎn)生將會(huì)減小碳納米管的長徑比，影響碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果[5]。因此，如何將納米碳管引入并均勻分散在基體上非常關(guān)鍵，也是目前碳納米管陶瓷基復(fù)合材料的制備的困難，并阻礙碳納米管提高陶瓷材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能。通過以下方法可以將碳納米管很好的分散在陶瓷基體中[6]：

1)碳納米管表面氧化處理。這種方法可以在不引入雜質(zhì)的前提下在管壁產(chǎn)生各種官能團(tuán)，從而改善碳納米管的分散性。碳納米管的表面氧化處理通常采用濃硝酸或者濃硝酸與濃硫酸的混酸中加熱并配合超聲分散進(jìn)行。采用濃 H2SO4/HNO3混合溶液酸處理可以將碳納米管完全分散開，原因是碳納米管在酸處理過程中會(huì)變短而且增加親水性官能團(tuán)如羥基官能團(tuán)。

2)添加表面活性劑。表面活性劑通常包括憎水基和親水基兩部分，當(dāng)將其加入到含有CNTs的溶液中后，憎水基與碳納米管表面吸附，親水基懸浮在外面，從而提高了碳納米管在水中的溶解性能。Jing Sun等采用雜凝集的方法制得了CNT-Al2O3復(fù)合粉體。具體過程如下：將碳納米管在聚乙烯亞胺(PEI)電介質(zhì)溶液中利用超聲波均勻分散，在碳納米管表面吸附一層電介質(zhì)，使其具有一定的電位。同時(shí)，Al2O3粉體也在聚丙烯酞胺(PAA)電介質(zhì)中分散，在陶瓷粉體表面上吸附與CNT表面異性的電荷，通過調(diào)節(jié)pH值，將陶瓷粉體的電介質(zhì)溶液加入到碳納米管的溶膠中，在靜電引力的作用下陶瓷粉體均勻地吸附在CNT表面。同樣的方法也能夠解決碳納米管增韌氮化硅陶瓷的團(tuán)聚問題。

足夠的致密度是獲得高力學(xué)性能CNTs陶瓷復(fù)合材料的前提，目前報(bào)道的致密化技術(shù)大都是高溫高壓燒結(jié)技術(shù)，它不僅會(huì)破壞CNTs的結(jié)構(gòu)，減少CNTs的數(shù)量，而且當(dāng)CNTs體積含量較高、分散均勻性較差時(shí)，高溫高壓燒結(jié)技術(shù)很難獲得高致密度，從而嚴(yán)重削弱CNTs的增強(qiáng)效果和功能特性。雖然已有利用SPS技術(shù)制備出高致密度CNTs/陶瓷復(fù)合材料的報(bào)道，但開發(fā)低溫?zé)o壓致密化技術(shù)的需求依然迫切。

CNTs是一種納米尺度的增強(qiáng)相，具有獨(dú)特的表面特性和非常大的比表面積，這就決定了CNTs與基體的接觸面積很大，界面結(jié)構(gòu)也與眾不同。因此，界面結(jié)構(gòu)對(duì)CNTs/陶瓷復(fù)合材料性能有著非常大的影響，當(dāng)CNTs體積含量較高時(shí)，這種影響程度就更大。從這個(gè)意義上說，從原子尺度上研究CNTs與基體之間的界面結(jié)構(gòu)及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響，以及通過CNTs表面處理等手段進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制將是今后工作的重點(diǎn)。

從目前研究情況看，往往只單純考慮CNTs含量與復(fù)合材料性能的關(guān)系，而沒有從CNTs和基體相互協(xié)同的角度考慮問題，忽略了基體結(jié)構(gòu)以及CNTs結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，從而引起一些錯(cuò)誤結(jié)論。今后應(yīng)注意研究CNTs結(jié)構(gòu)在制備過程中的變化以及由于CNTs引入而引起的基體結(jié)構(gòu)的變化。

2.2 碳纖維增韌氮化硅陶瓷

碳纖維由原料纖維高溫?zé)桑?jīng)過了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝，具有強(qiáng)度高、模量高、密度低、耐高溫、線脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。作為補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，它克服了其它增韌材料的缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)外不少專家已對(duì)碳纖維增韌陶瓷材料的方法進(jìn)行了研究，并取得了不少的成果，用它增韌的陶瓷材料已展示了良好的力學(xué)和物理性能。碳纖維作為第二相引入至氮化硅陶瓷基體中，可提升陶瓷的力學(xué)性能。與氮化硅陶瓷相比，碳纖維/氮化硅復(fù)合陶瓷具有更低的摩擦系數(shù)，更高的耐磨性，更高的斷裂韌性[7]。

圖5 氮化硅顯微形貌

圖6 碳纖維/氮化硅復(fù)合材料顯微形貌

碳纖維/氮化硅復(fù)合材料制備工藝較為成熟，常用熱壓燒結(jié)方法制備。在熱壓燒結(jié)過程中，由于單向加壓，晶粒擇優(yōu)生長，材料微觀形貌有一定的取向性。用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷可以提高基體的斷裂強(qiáng)度。普通的氮化硅陶瓷表面和內(nèi)部總會(huì)存在微小的裂紋和缺陷，在外加負(fù)荷的作用下，往往裂紋或缺陷間斷產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂紋迅速擴(kuò)展，呈現(xiàn)脆性斷裂。當(dāng)?shù)杼沾审w內(nèi)存在較高的彈性模量纖維時(shí)裂紋的擴(kuò)散會(huì)受到纖維的阻礙，吸收剩余的能量，消除裂紋、缺陷尖端集中的應(yīng)力，阻止裂紋延伸。在外加負(fù)荷很大的時(shí)候，碳纖維從基體中拔出，也能吸收相當(dāng)?shù)哪芰?，提高斷裂能。這樣，在材料破壞前比較容易發(fā)現(xiàn)征兆，提高了材料的機(jī)械可靠性。所以，纖維補(bǔ)強(qiáng)的氮化硅是一種有希望的增韌措施。一般情況下，隨著纖維含量增多，材料的抗彎強(qiáng)度減小，但斷裂韌性顯著增大。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到8.91 MPa·m1/2，比純氮化硅陶瓷提高161.3%。碳纖維的加入使氮化硅陶瓷的致密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，但仍然保持較高的強(qiáng)度水平，可滿足功能材料在一定條件下的使用要求。

碳纖維能否在氮化硅基體內(nèi)起補(bǔ)強(qiáng)作用的先決條件首先要解決好碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)際效果，最終取決于燒結(jié)后碳纖維與氮化硅基體結(jié)合的程度。兩者結(jié)合得過差或者過牢，都是不利于補(bǔ)強(qiáng)。假如碳纖維與基體結(jié)合太差，則整個(gè)坯體所受的應(yīng)力將無法傳遞到纖維上，這樣，碳纖維的存在簡直是多余的，反而使基體造成缺陷，降低坯體的強(qiáng)度。

圖7 碳纖維/氮化硅復(fù)合材料彎曲斷口形貌

由圖7可見，出現(xiàn)了大量的柱狀晶粒，長柱狀的β-Si3N4晶粒相互搭接成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，有助于提高材料的力學(xué)性能。圖7中明顯有著纖維束存在，纖維的直徑比柱狀晶粒直徑大很多，碳纖維表面光滑無損傷。碳纖維與氮化硅基體之間結(jié)合強(qiáng)度要適宜，才能確?；w所承受的應(yīng)力可以傳遞到碳纖維上。若碳纖維和基體間結(jié)合力較弱，則纖維無作用性，就如基體內(nèi)部存在大量的氣孔群一樣，使材料的整體性能下降；若碳纖維和基體結(jié)合力較大，斷裂過程中無纖維從基體中拔出的這一吸收能量的過程，則復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性斷裂。從圖斷口處可以看出，纖維長短不一，有著明顯的纖維拔出現(xiàn)象，表明纖維與基體間結(jié)合強(qiáng)度適當(dāng)，纖維起到了較好的增韌效果。其主要的增韌機(jī)理為纖維拔出和界面脫粘。

碳纖維/氮化硅復(fù)合材料在1 550 ℃和1 650 ℃燒結(jié)時(shí)界面以物理結(jié)合為主。1 700 ℃以上是界面則以化學(xué)結(jié)合占主導(dǎo)作用。其斷裂機(jī)理一般與三種因素有關(guān)：纖維—基體界面結(jié)合情況；纖維尺寸和強(qiáng)度；纖維體積含量。由此可以說明，燒結(jié)溫度和碳纖維本身性質(zhì)對(duì)界面結(jié)合情況以及斷裂機(jī)理起著關(guān)鍵性作用。

2.2.1 單向排布碳纖維增韌

圖8 碳纖維的單向排布

如圖8所示，當(dāng)裂紋垂直纖維方向擴(kuò)展遇到纖維時(shí)，裂紋受阻，裂紋擴(kuò)展必須提高外加應(yīng)力。隨著外加應(yīng)力水平的提高，由于基體與纖維界面解離，且纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，開始時(shí)產(chǎn)生纖維的拔出，拔出的長度大于某一臨界值時(shí)，纖維發(fā)生斷裂。因此裂紋擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功。但實(shí)際上在斷裂過程中纖維的斷裂并非在同一裂紋平面，因而主裂紋沿纖維斷裂的不同發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致其擴(kuò)展路徑增加而使裂紋表面積增加，進(jìn)而使其擴(kuò)展阻力增加來提高韌性。因此，單向排布長纖維陶瓷基復(fù)合材料的韌性來自于纖維拔出、纖維斷裂和裂紋轉(zhuǎn)向三方面的貢獻(xiàn)[7]。

利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)單向碳纖維增韌的氮化硅復(fù)合材料C/Si3N4的彈性模量、剪切模量和泊松比進(jìn)行理論計(jì)算，從其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，探討了不同相含量、氣孔的含量以及形狀等對(duì)復(fù)合材料性能的影響。碳纖維與熔融石英的線脹系數(shù)相當(dāng)，在燒結(jié)溫度下不反應(yīng)，物理匹配和化學(xué)相溶性都能滿足，是理想的復(fù)合系統(tǒng)，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熔融石英復(fù)合材料(C/Si3N4)性能優(yōu)異，單向增強(qiáng)時(shí)抗彎強(qiáng)度為熔融石英的12倍，而斷裂功提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2.2 二維多向排布碳纖維增韌

二維多向排布單向纖維排布的陶瓷只在纖維排列方向上性能優(yōu)越，而對(duì)二維及三維方向性能要求較高時(shí)，就需對(duì)纖維多向排布。在二維方向上需高性能要求的陶瓷來說就需二維排布。該方法中的纖維排布有二種：一是將纖維編織成纖維布，浸漬陶瓷漿料后根據(jù)所需厚度將單層或若干層疊合在一起進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型。這種方法一般用在二維方向上的均有高性能的構(gòu)件上，其成型構(gòu)件一般為平板或曲率半徑較大的殼體構(gòu)件；另一種是纖維分層單向排布，層間纖維方向成一定角度，可根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形狀的殼層狀構(gòu)件。其增韌機(jī)理同單相排布長纖維增韌機(jī)理。

用CVI法制備了碳纖維體積分?jǐn)?shù)為40%的二維機(jī)織碳纖維復(fù)合材料。利用聲發(fā)射技術(shù)全程監(jiān)測共拉伸實(shí)驗(yàn)，通過聲發(fā)射多參數(shù)分析法和斷口顯微觀察，結(jié)合材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變線，分析了二維增韌復(fù)合材料拉伸損傷演化過程可分為三個(gè)階段：損傷機(jī)理主要為宏觀基體、界面開裂和纖維束斷裂，并且確定第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)換點(diǎn)在拉伸強(qiáng)度的76%左右[8]。

2.2.3 三維多向排布碳纖維增韌

圖9 碳纖維的三維排布

如圖9所示，這種編織物結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)，相臨束間的間距，織物的體積密度以及纖維的總體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳要求。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了三相以上的多相編制纖維增強(qiáng)增韌形式。其結(jié)構(gòu)單元體積、空隙度及其分布均勻度將直接影響三向織物中基體的填充率和填充質(zhì)量，最終影響復(fù)合材料的質(zhì)量。單元體積和空隙度越小越均勻，復(fù)合效率越高，復(fù)合質(zhì)量就越好。

徐永東等[9]制備出了無碳界面層的三維碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料，測出其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的最大值分別為520 MPa和16.5 MPa，并得出密度較低和較高的材料的斷裂行為分別為韌性斷裂和脆性斷裂。他們還用同樣的方法制作了Si-Mo-Si抗氧化涂層的三維碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料，展示了其具有良好的抗氧化性和抗熱震性能。

2.3 石墨烯增韌氮化硅陶瓷

石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料。石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，厚度約0.35 nm，僅為一個(gè)原子的尺寸。石墨烯在室溫下的熱導(dǎo)率為3 000～5 000 W/m·K，電子遷移率可達(dá)10 000～20 000 cm2/V·s，石墨烯是目前已知的材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)。機(jī)械剝離法制備的石墨烯力學(xué)性能較好，其楊氏模量可達(dá)1 TPa，強(qiáng)度可達(dá)130 GPa，而化學(xué)剝離法制備的石墨烯，由于其表面存在缺陷和含氧官能團(tuán)，力學(xué)性能受到一定影響。石墨烯優(yōu)異的性能，使其可作為復(fù)合材料中的添加相，實(shí)現(xiàn)材料的功能化和結(jié)構(gòu)化。

隨著石墨烯制備、化學(xué)修飾和分散技術(shù)的成熟，近年來基于石墨烯的復(fù)合材料研究進(jìn)展很快。基于石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能，將其作為強(qiáng)韌相引入陶瓷材料的研究也已展開。石墨烯在不同的陶瓷基體中均可達(dá)到明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果，增韌方面的效果尤其突出，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分支，石墨烯的橋聯(lián)、斷裂、拔出等。

圖10(a)為顯微硬度測試預(yù)制裂紋，對(duì)于裂紋的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)在幾處位置有石墨烯納米片對(duì)裂紋的橋聯(lián)，其中的兩處展示在高分辨率的SEM圖片上；圖10(b)對(duì)裂紋的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)裂紋曲折的擴(kuò)展路徑；圖10(c)材料的斷口形貌揭示了復(fù)合材料中存在三維增韌機(jī)制。

圖10 石墨烯納米片/氮化硅納米復(fù)合材料中的韌化機(jī)制

值得注意的是，與納米顆粒的團(tuán)聚或納米纖維之間的糾纏不同，石墨烯材料特別是化學(xué)還原法制備的石墨烯，因其平面形貌和層間相互作用，很容易發(fā)生層狀堆積。由于制備技術(shù)的限制和石墨烯本身容易團(tuán)聚的特點(diǎn)，目前作為陶瓷材料強(qiáng)韌相研究的石墨烯材料并不是嚴(yán)格意義上的單層石墨烯，通常為多層的石墨烯，當(dāng)其厚度方向達(dá)到幾個(gè)納米時(shí)，可稱其為石墨烯納米片。雖然隨著石墨層數(shù)的增加，石墨烯中存在缺陷的可能將增加，這將導(dǎo)致其力學(xué)性能有所降低，但是石墨烯作為陶瓷材料的強(qiáng)韌相，由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和巨大的接觸面積，依然可以顯著提高陶瓷材料的力學(xué)性能，因此圍繞石墨烯和石墨烯納米片展開的陶瓷基復(fù)合材料的研究是十分必要的。

在陶瓷基體中實(shí)現(xiàn)石墨烯的強(qiáng)韌作用主要取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是石墨烯的分散，二是基體與石墨烯之間的界面結(jié)合。強(qiáng)韌相在基體中的分布狀態(tài)對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)性能至關(guān)重要，石墨烯由于其平面形貌和層間相互作用，很容易發(fā)生層狀堆積，因此石墨烯的有效分散對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高顯得尤為重要。眾多研究者在此方面進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明，采用不同的溶劑、添加表面活性劑或?qū)κ┻M(jìn)行化學(xué)修飾等方法有利于提高石墨烯的分散性。石墨烯在有機(jī)介質(zhì)中的分散效果較好，如NMP；選用無機(jī)介質(zhì)作為溶劑，通常需要添加分散劑，如陰離子表面活性劑SDS、陽離子表面活性劑CTAB、非離子型表面活性劑聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮等。為了獲得良好的分散效果，石墨烯和基體材料可采用球磨、超聲分散、膠體滴定等一種或多種方式依次使用的方法進(jìn)行混合。與石墨烯相比，氧化石墨烯表面官能團(tuán)較多，分散性較好，將氧化石墨烯與陶瓷基體混合，然后用還原劑進(jìn)行還原，如一水肼、氫氣等，可得到分散效果良好的石墨烯/陶瓷基體的混合粉體。需要注意的是，除了采用多種方法得到分散良好的石墨烯/陶瓷基體的混合漿體，還應(yīng)注意分散后料漿的干燥方法，避免干燥過程中石墨烯的二次團(tuán)聚。

為提高石墨烯與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，有利于載荷在界面間的傳遞，可對(duì)石墨烯進(jìn)行物理或化學(xué)的表面修飾和改性。需要注意的是，雖然對(duì)石墨烯進(jìn)行表面修飾有利于其分散和提高界面結(jié)合強(qiáng)度，但是由于化學(xué)修飾引入的缺陷對(duì)石墨烯面內(nèi)力學(xué)性能的降低在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中也應(yīng)加以考慮。同時(shí)，當(dāng)石墨烯與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度過高時(shí)，不利于石墨烯撥出增韌機(jī)制的發(fā)揮，因此對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的控制至關(guān)重要，然而目前對(duì)于這方面的研究報(bào)道還很少。對(duì)于陶瓷基材料，燒結(jié)過程對(duì)力學(xué)性能的影響很大。采用先進(jìn)的燒結(jié)方法，如熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、SPS、HFIHS，可以降低燒結(jié)溫度，縮短保溫時(shí)間，有效保護(hù)石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，獲得致密度高、晶粒尺寸均勻細(xì)小的復(fù)合材料，有利于力學(xué)性能的提高。

Eszter Bódis等[10]制備了多層石墨烯和氮化硅的復(fù)合物，研究了石墨烯加入后對(duì)氮化硅陶瓷力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)加入少量的石墨烯就能夠很大程度上增強(qiáng)氮化硅陶瓷的強(qiáng)度，加入1%的石墨烯后強(qiáng)度達(dá)到了8.0 MPa·m1/2。但是隨著石墨烯含量的增大，氮化硅陶瓷強(qiáng)度并沒有增加，而是在一定程度上出現(xiàn)了下降的情況，繼續(xù)增加石墨烯含量，氮化硅陶瓷強(qiáng)度仍然是逐漸降低。原因可能是石墨烯和氮化硅粉體混合后會(huì)產(chǎn)生一些空隙，當(dāng)含量增多時(shí)，空隙就會(huì)增加；另外由于加入的是多層的石墨烯，層間范德華力較弱，所以裂紋遇到石墨烯片時(shí)，會(huì)在層間擴(kuò)展，在一定程度上起到增韌作用，但是含量增加就會(huì)造成空隙增多使得強(qiáng)度下降[10]。

圖11 石墨烯增韌機(jī)制

Lenka Kvetková等[11]用不同的石墨烯片制備了石墨烯/氮化硅復(fù)合陶瓷，復(fù)合陶瓷的強(qiáng)度明顯比氮化硅高，最高的強(qiáng)度值達(dá)到了9.92 MPa·m1/2。他們認(rèn)為石墨烯片的增韌機(jī)理就是引導(dǎo)微裂紋分叉，拔出橋聯(lián)等基質(zhì)。他們將多層和少層石墨烯納米片和氮化硅復(fù)合，發(fā)現(xiàn)加入多層石墨烯片的韌性較好。他們提出了石墨烯增韌氮化硅機(jī)制，如圖11所示。由于氮化硅與石墨烯接觸面強(qiáng)度較弱，擴(kuò)展到界面時(shí)，會(huì)沿著界面擴(kuò)展，而不是沿著原來的路徑擴(kuò)展。另外石墨烯是層狀材料，層與層間的范德華力較弱，裂紋延伸到石墨烯表面時(shí)會(huì)導(dǎo)致石墨烯層間分離，沿著石墨烯層間延伸，這樣的裂紋擴(kuò)展方式延長了裂紋的路徑，達(dá)到增韌的效果。

表1 石墨烯增韌氮化硅陶瓷特性

由表1可知，除了多層石墨烯增韌氮化硅陶瓷的抗壓強(qiáng)度比氮化硅陶瓷的高以外，其他的石墨烯(或石墨納米片)增韌的氮化硅陶瓷的抗壓強(qiáng)度都不如氮化硅陶瓷本身高，可能是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中殘留的孔隙使得陶瓷強(qiáng)度下降。但是添加石墨烯之后，氮化硅陶瓷韌性增加，達(dá)到了較好的增韌效果。

石墨烯增韌氮化硅陶瓷，石墨烯薄片的拉出也是被夾著和包裹著周圍的基質(zhì)晶粒。預(yù)計(jì)拉出一個(gè)薄片所需的能量是很大(比纖維)，由于包裹薄片周圍的基質(zhì)晶界和基體的接觸面積增加。連續(xù)的石墨烯片晶并沒有出現(xiàn)在平面來轉(zhuǎn)移(偏轉(zhuǎn))裂紋擴(kuò)展路徑。然而，裂紋既沒有穿透也沒有擊穿通過石墨烯片晶。因此，認(rèn)為裂紋在石墨烯處被阻止，并且改變方向(即進(jìn)行面外偏轉(zhuǎn))。如此看來，石墨烯(被固定在晶界的)從改變?cè)趥鹘y(tǒng)二維空間的擴(kuò)展路徑來阻止裂紋，并迫使這些裂紋在三維空間傳播。這種斷裂抵制機(jī)制迄今尚未在傳統(tǒng)的CMC體系中報(bào)道。另外，石墨烯/氮化硅陶瓷在高溫?zé)Y(jié)中，可能使石墨烯轉(zhuǎn)化為納米金剛石相，造成材料硬度和耐磨性發(fā)生變化。當(dāng)添加量為1wt%時(shí)，石墨烯/Si3N4復(fù)合陶瓷的硬度為13.9 GPa；當(dāng)石墨烯的添加量為0.75wt%時(shí)，石墨烯/Si3N4/TiC復(fù)合陶瓷材料的硬度為15.83 GPa。在垂直于熱壓方向的表面，含量為1wt%的石墨烯/Si3N4復(fù)合陶瓷摩擦系數(shù)為0.67，磨損率為2.13×10-6mm3/N·m，在平行于熱壓方向的表面摩擦系數(shù)為0.73，磨損率為2.56×10-6mm3/N·m。當(dāng)取向角度為30°時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率最低，其摩擦系數(shù)為0.46，磨損率為4.29×10-6mm3/N·m。當(dāng)載荷為40 N時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.41和1.75×10-6mm3/N·m。

3 展望

筆者主要論述了幾種碳材料增韌氮化硅陶瓷增韌類型和增韌機(jī)理，碳纖維增韌一般有3種增韌方式：單向排布增韌，二維多向排布增韌，三維多向排布增韌。隨著科學(xué)的發(fā)展，碳質(zhì)材料種類越來越多，碳納米管由于有良好的彈性，增韌機(jī)理和晶須或者纖維的增韌機(jī)理相同，都是拔出僑聯(lián)機(jī)制。石墨烯是最近兩年發(fā)展起來的碳質(zhì)材料，具有良好的抗拉伸、良好的延展和導(dǎo)熱性等性能。由于碳材料良好的特性，再加上價(jià)格相對(duì)比較低，存在量比較豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以在未來的陶瓷增韌方面有重要的應(yīng)用前景。通過對(duì)CNTs/Si3N4、Cf/Si3N4、GO/Si3N4復(fù)合材料的相關(guān)性能探究，筆者以為在以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步關(guān)注：

1)碳納米管在基體上分散效果和狀態(tài)直接影響復(fù)合材料的性能提高,原位自生法與外加混入法相比，能夠得到納米管在基體上更加均勻的分布，但技術(shù)設(shè)備要求高.迄今為止，如何將碳納米管在不破壞或少破壞其完美結(jié)構(gòu)的前提下非常均勻的分散到陶瓷材料基體上，仍待深入研究。

2)燒結(jié)成形是碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料制備過程中的最后也是關(guān)鍵的一步，保證碳納米管在組織中的存活十分重要。低溫、短時(shí)、快速燒結(jié)工藝——放電等離子燒結(jié)，可以保持碳納米管在陶瓷組織中的完整性，較適合制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。但放電等離子燒結(jié)的內(nèi)在燒結(jié)機(jī)制，以及碳納米管復(fù)合的納米材料在SPS工藝下的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)機(jī)理有待研究。

3)采用碳納米管復(fù)合陶瓷材料不僅可以改善材料的力學(xué)性能，還可以增加其功能特性，如導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能等，可以通過碳納米管含量和排列方向的控制來對(duì)陶瓷材料的性能進(jìn)行調(diào)制。碳納米管還具有波吸收特性、場致發(fā)射性能等，制備高力學(xué)性能兼多功能化的陶瓷材料，碳納米管是最理想的增強(qiáng)纖維選擇。但目前碳納米管較昂貴，如何大幅度地提高復(fù)合材料的性能，提高材料的性價(jià)比，并達(dá)到性能可預(yù)測、可控制，有待于深入研究。

4)石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和巨大的接觸面積，使其在陶瓷材料中具有明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果。石墨烯對(duì)陶瓷材料強(qiáng)韌作用的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于石墨烯的有效分散和基體與石墨烯之間適宜的界面結(jié)合，這將是今后研究中需要重點(diǎn)解決的問題。通過表面改性達(dá)到石墨烯的有效分散同時(shí)控制其與陶瓷基體的界面結(jié)合狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)增韌的可控制備，有利于擴(kuò)展陶瓷材料的應(yīng)用范圍。

5)深入探索以及優(yōu)化燒結(jié)工藝。適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度可以有效的抑制碳纖維與氮化硅基體之間發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，提高復(fù)合材料的化學(xué)相容性。延長保溫時(shí)間，促進(jìn)燒結(jié)過程中晶相轉(zhuǎn)變，有利于晶粒生長發(fā)育和凈化晶格。