HP-Si3N4陶瓷在超临界水中的腐蚀行为研究

于文举; 向立平; 黄民忠; 刘刈; 杨帆; 冯亚鑫

doi:10.13957/j.cnki.tcxb.2025.03.012

陶瓷学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (03) : 546 -553. DOI: 10.13957/j.cnki.tcxb.2025.03.012

HP-Si₃N₄陶瓷在超临界水中的腐蚀行为研究

于文举, 向立平, 黄民忠, 刘刈, 杨帆, 冯亚鑫

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摘要

通过热压烧结法制备了致密度为98.3%的氮化硅陶瓷（HP-Si₃N₄），并深入探讨了其在超临界水环境（450℃, 25 MPa）中的腐蚀行为及其对材料性能的影响，对其在不同腐蚀时间（50 h、100 h、150 h、200 h）后的微观结构、物相组成和力学性能进行表征和测试分析。研究发现，Si₃N₄陶瓷在超临界水中会生成二氧化硅（SiO2）腐蚀层，但随着腐蚀时间延长，SiO2腐蚀层逐渐脱落，导致基体表面发生沿晶腐蚀，随后进一步发展为晶粒腐蚀。经过200h腐蚀后，其断裂韧性和硬度变化幅度不大，断裂韧性从4.1 MPa·m1/2微增至4.5 MPa·m1/2，硬度从15.2 GPa降至14.9 GPa；而弯曲强度从650 MPa降至523 MPa，降低了18%。这些结果表明，超临界水腐蚀会破坏Si₃N₄陶瓷的表面结构，增加材料的脆性和易损性。该结果有助于进一步深入理解Si₃N₄陶瓷在高温高压环境下的降解机制，有望为该材料在核能和超临界水氧化等极端条件下的应用提供理论基础和设计参考。