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氮化物陶瓷類型的淺析

日期:2017年9月29日 11:40

  1.氮化硅陶瓷

  1.1 氮化硅的基本特性

  aα-Si3N4:低溫型,是針狀結晶體。β-Si3N4:高溫型,是顆粒狀結晶體。將高純硅在1200-1300℃下氮化,可得到白色或灰白色的α-Si3N4,而在1450℃左右氮化時,可得到β-Si3N4。

  aα-Si3N4在1400-1600℃下加熱,會轉變成β-Si3N4。1900℃分解。Si3N4強度和韌性優于SiC,但抗氧化性和高溫強度不及SiC。

  1.2 氮化硅的制備技術

  (a)氮化硅粉末合成:

  表1 Si3N4粉末的合成方法

  (b)燒結助劑:MgO、Al2O3、Y2O3

  (c)燒結方法:常壓燒結、氣壓燒結、熱壓燒結、反應燒結、熱等靜壓燒結

  1.3 氮化硅陶瓷性能與應用

  (1)Si3N4陶瓷材料具有耐高溫耐磨性能,在陶瓷發動機中用于制備燃氣輪機的轉子、定子和渦形管;無水冷陶瓷發動機中,用熱壓Si3N4做活塞頂蓋;用反應燒結Si3N4可做燃燒器,它還可用作柴油機的火花塞、活塞罩頂、汽缸套、副燃燒室以及活塞-渦輪組合式航空發動機的零件等。

  (2)Si3N4陶瓷材料具有耐磨性好、強度高、摩擦系數小的特點,彎曲強度比較高,硬度也很高,同時摩擦系數小,具有自潤滑性,摩擦系數小(只有0.1)。因此它可以被廣泛用于機械工業,如制造軸承、滾珠、滾柱、滾珠座圈、高溫螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。

  (3)Si3N4陶瓷材料的化學穩定性很好,耐氫氟酸以外的所有無機酸和某些堿液的腐蝕,也不被鉛、鋁、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤與腐蝕。因此它可以被廣泛用于化工化學工業上的制備耐蝕耐磨零件,如球閥、密封環、過濾器、熱交換器部件、管道、觸媒載體等。

  (4)Si3N4陶瓷材料的高溫電阻率比較高(1013-1014Ω·cm),一方面可以作為較好的絕緣材料;同時還可以用于電子、軍事和核工業上,如開關電路基片、薄膜電容器、高溫絕緣體、雷達天線罩、導彈噴管、炮筒內襯、核反應堆的支承件等。

  此外,Si3N4陶瓷還可用作熱機材料、切削工具、高級耐火材料等。

  2. 氮化硼陶瓷

  氮化硼(BN)有兩種晶型:立方BN和六方BN,在高溫高壓下六方BN可轉變為立方BN。

  立方氮化硼(C-BN):其結構和性能與金剛石類似,其硬度僅次于金剛石,化學惰性比金剛石和硬質合金好。C-BN的主要用途是:切削刀具、磨具和磨料,可用于切削包括黑色金屬在內全部金屬和非金屬,且可用于精加工。

  六方氮化硼(H-BN):其結構和性能與石墨類似,又稱之為白石墨,是良好的高溫潤滑材料和高溫電絕緣材料。H-BN與大多數金屬不反應、不潤濕,可作為熔化和輸送金屬的坩鍋或管道。可制造高溫結構部件,如火箭燃燒室內襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發電機的耐蝕件等。還可作為高溫、高頻、高壓絕緣的散熱部件,半導體封裝散熱底板,核反應堆中的中子吸收和屏蔽材料。

  3. 氮化鋁陶瓷

  氮化鋁陶瓷的基本特性與用途:AlN為六方晶型,密度3.26g/cm3,常壓下2450℃升華分解,莫氏硬度7~9。最大的特點是導熱率高,可達200W/m·K以上,熱膨脹系數小,強度高,電絕緣性能好,是理想的基片材料,用作高溫結構件和換熱器等。

  氮化鋁陶瓷的燒結過程:在氮氣中于1800~1900℃下燒成,燒結助劑為SiO2、Y2O3、CaO,陶瓷的強度可達200~300MPa。

  4. 賽隆(sialon)陶瓷

  賽隆陶瓷是Si3N4與尖晶石AlN·Al2O3的固溶體,晶體結構與β-Si3N4相同,力學性能也與β-Si3N4相似,硬度、強度和導熱率略低于Si3N4,但韌性比Si3N4好。

  β-Sialon的結構通式為:Si6-xAlxOxN8-x,在1700℃,X≤4.2,1400℃, X≤2。賽隆陶瓷的應用與Si3N4相似,但更適合于作為超硬刀具材料。

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