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氮化物陶瓷類型的淺析
發(fā)布時(shí)間：
2017-09-29
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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(jié)晶體。β-Si3N4：高溫型，是顆粒狀結(jié)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(shí)，可得到β-Si3N4。 aα-Si3N4在1400-1600℃下加熱，會(huì)轉(zhuǎn)變成β-Si3N4。1900℃分解。Si3N4強(qiáng)度和韌性優(yōu)于SiC，但抗氧化性和高溫強(qiáng)度不及SiC。
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(jié)晶體。β-Si3N4：高溫型，是顆粒狀結(jié)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(shí)，可得到β-Si3N4。
aα-Si3N4在1400-1600℃下加熱，會(huì)轉(zhuǎn)變成β-Si3N4。1900℃分解。Si3N4強(qiáng)度和韌性優(yōu)于SiC，但抗氧化性和高溫強(qiáng)度不及SiC。
1.2 氮化硅的制備技術(shù)
(a)氮化硅粉末合成：
表1 Si3N4粉末的合成方法
(b)燒結(jié)助劑：MgO、Al2O3、Y2O3
(c)燒結(jié)方法：常壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)
1.3 氮化硅陶瓷性能與應(yīng)用
(1)Si3N4陶瓷材料具有耐高溫耐磨性能，在陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)中用于制備燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子、定子和渦形管;無水冷陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)中，用熱壓Si3N4做活塞頂蓋;用反應(yīng)燒結(jié)Si3N4可做燃燒器，它還可用作柴油機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的零件等。
(2)Si3N4陶瓷材料具有耐磨性好、強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，彎曲強(qiáng)度比較高，硬度也很高，同時(shí)摩擦系數(shù)小，具有自潤(rùn)滑性，摩擦系數(shù)小(只有0.1)。因此它可以被廣泛用于機(jī)械工業(yè)，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(xué)穩(wěn)定性很好，耐氫氟酸以外的所有無機(jī)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(rùn)與腐蝕。因此它可以被廣泛用于化工化學(xué)工業(yè)上的制備耐蝕耐磨零件，如球閥、密封環(huán)、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(shí)還可以用于電子、軍事和核工業(yè)上，如開關(guān)電路基片、薄膜電容器、高溫絕緣體、雷達(dá)天線罩、導(dǎo)彈噴管、炮筒內(nèi)襯、核反應(yīng)堆的支承件等。
此外，Si3N4陶瓷還可用作熱機(jī)材料、切削工具、高級(jí)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(zhuǎn)變?yōu)榱⒎紹N。
立方氮化硼(C-BN)：其結(jié)構(gòu)和性能與金剛石類似，其硬度僅次于金剛石，化學(xué)惰性比金剛石和硬質(zhì)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(nèi)全部金屬和非金屬，且可用于精加工。
六方氮化硼(H-BN)：其結(jié)構(gòu)和性能與石墨類似，又稱之為白石墨，是良好的高溫潤(rùn)滑材料和高溫電絕緣材料。H-BN與大多數(shù)金屬不反應(yīng)、不潤(rùn)濕，可作為熔化和輸送金屬的坩鍋或管道?？芍圃旄邷亟Y(jié)構(gòu)部件，如火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機(jī)的耐蝕件等。還可作為高溫、高頻、高壓絕緣的散熱部件，半導(dǎo)體封裝散熱底板，核反應(yīng)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(diǎn)是導(dǎo)熱率高，可達(dá)200W/m·K以上，熱膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度高，電絕緣性能好，是理想的基片材料，用作高溫結(jié)構(gòu)件和換熱器等。
氮化鋁陶瓷的燒結(jié)過程：在氮?dú)庵杏?800~1900℃下燒成，燒結(jié)助劑為SiO2、Y2O3、CaO，陶瓷的強(qiáng)度可達(dá)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(jié)構(gòu)與β-Si3N4相同，力學(xué)性能也與β-Si3N4相似，硬度、強(qiáng)度和導(dǎo)熱率略低于Si3N4，但韌性比Si3N4好。
β-Sialon的結(jié)構(gòu)通式為：Si6-xAlxOxN8-x，在1700℃，X≤4.2，1400℃， X≤2。賽隆陶瓷的應(yīng)用與Si3N4相似，但更適合于作為超硬刀具材料。
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