仿生纤维单片Si₃N₄陶瓷

强度不减增韧五倍

仿生设计让陶瓷在保持501 MPa高强度的同时，断裂韧性达到常规Si₃N₄陶瓷的5倍。

Ningning, Dong · Yuan zhang · Guan, Jinwei · 国立 · 刘鲁 · Liuxin, Chao · Yang, Li · Zheng, Wei · Sun ZhengMing · 应国兵

Ceramics International 2024

参数信息

弯曲强度

501 MPa

断裂韧性

10.99 MPa·m^1/2

烧结密度

3.43 g/cm³

技术优势

增韧不降强

单向排列的Si₃N₄纤维细胞被BN界面分隔，仿生结构使裂纹沿界面偏转，在保持501 MPa高弯曲强度的同时将断裂韧性提升至10.99 MPa·m^1/2。

密度达3.43

热压烧结工艺使材料实现了3.43 g/cm³的高致密度，减少了气孔等缺陷，有利于力学性能的发挥。

模型可预测

提出了一个原创模型来计算纤维单片陶瓷的弯曲强度，该模型能考虑不同纤维细胞形状的影响，为设计提供理论指导。

应用场景

• 航空发动机热端部件：高强韧性陶瓷可承受热端苛刻载荷，替代部分金属或脆性陶瓷。
• 陶瓷基复合材料：纤维与界面仿生结构为陶瓷基复合材料设计提供可行方案。
• 高韧性结构件：高韧性使其适用于高应力、易冲击的结构部件，延长寿命。
• 介电承载一体化：保持介电性能的同时承载，可应用于透波或电绝缘结构件。
• 耐磨耐蚀部件：高强韧且化学稳定，可用于恶劣环境下的耐磨耐蚀部件。