Enhancement of Si3N4 ceramics via evolution of grain interface between ZrO2 and Si3N4 under pressureless sintering

材料科学 陶瓷 氮化硅 断裂韧性 烧结 复合材料 微观结构 分子动力学 相(物质) 晶粒生长 晶界 韧性 结晶学 化学 图层(电子) 计算化学 有机化学
作者
Chunxi Luo,Neng Li,Tengfei Deng
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:106 (11): 7043-7056 被引量:8
标识
DOI:10.1111/jace.19263
摘要

Abstract Silicon nitride (Si 3 N 4 ) as a structural ceramic material, its strength, and toughness are the decisive characteristics of damage tolerance and reliability. In this work, Si 3 N 4 ceramics is enhanced via evolution of grain interface between Si 3 N 4 and ZrO 2 , which bending strength and fracture toughness reached 982.8 MPa and 9.81 MPa·m 1/2 , respectively. The interface evolution of the ZrO 2 and Si 3 N 4 grains were investigated via both first‐principles molecular dynamics simulation and experiment. The Si 3 N 4 /ZrO 2 interface structure was observed by high‐resolution transmission electron microscopy, include: (i) glass phase film, (ii) Zr 3 N 4 film. First‐principles molecular dynamics simulation reported here provide an atomic‐level description of the formation mechanisms of the interface structure. The Si‐O bond and Zr‐N bond was formed to provide the Si 3 N 4 /ZrO 2 interface bond. Moreover, the embedded‐like composite structure between Si 3 N 4 and ZrO 2 was formed during the sintering process, which can deflect cracks and result in an increase in the fracture energy. Due to the strength difference of Si 3 N 4 and ZrO 2 , cracks tend to propagate through the grains of ZrO 2 and deflects when it encounters the rod‐like Si 3 N 4 grains. In the same time, the ZrO 2 plays a role with respect to refinement of the β‐Si 3 N 4 grain size and decrease of the glass phase content.

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