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氮化物陶瓷类型的浅析

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:低温型,是针状结晶体。β-Si3N4:高温型,是颗粒状结晶体。将高纯硅在1200-1300℃下氮化,可得到白色或灰白色的α-Si3N4,而在1450℃左右氮化时,可得到β-Si3N4。

  aα-Si3N4在1400-1600℃下加热,会转变成β-Si3N4。1900℃分解。Si3N4强度和韧性优于SiC,但抗氧化性和高温强度不及SiC。

  1.2 氮化硅的制备技术

  (a)氮化硅粉末合成:

  表1 Si3N4粉末的合成方法

  (b)烧结助剂:MgO、Al2O3、Y2O3

  (c)烧结方法:常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应烧结、热等静压烧结

  1.3 氮化硅陶瓷性能与应用

  (1)Si3N4陶瓷材料具有耐高温耐磨性能,在陶瓷发动机中用于制备燃气轮机的转子、定子和涡形管;无水冷陶瓷发动机中,用热压Si3N4做活塞顶盖;用反应烧结Si3N4可做燃烧器,它还可用作柴油机的火花塞、活塞罩顶、汽缸套、副燃烧室以及活塞-涡轮组合式航空发动机的零件等。

  (2)Si3N4陶瓷材料具有耐磨性好、强度高、摩擦系数小的特点,弯曲强度比较高,硬度也很高,同时摩擦系数小,具有自润滑性,摩擦系数小(只有0.1)。因此它可以被广泛用于机械工业,如制造轴承、滚珠、滚柱、滚珠座圈、高温螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。

  (3)Si3N4陶瓷材料的化学稳定性很好,耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀,也不被铅、铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀。因此它可以被广泛用于化工化学工业上的制备耐蚀耐磨零件,如球阀、密封环、过滤器、热交换器部件、管道、触媒载体等。

  (4)Si3N4陶瓷材料的高温电阻率比较高(1013-1014Ω·cm),一方面可以作为较好的绝缘材料;同时还可以用于电子、军事和核工业上,如开关电路基片、薄膜电容器、高温绝缘体、雷达天线罩、导弹喷管、炮筒内衬、核反应堆的支承件等。

  此外,Si3N4陶瓷还可用作热机材料、切削工具、高级耐火材料等。

  2. 氮化硼陶瓷

  氮化硼(BN)有两种晶型:立方BN和六方BN,在高温高压下六方BN可转变为立方BN。

  立方氮化硼(C-BN):其结构和性能与金刚石类似,其硬度仅次于金刚石,化学惰性比金刚石和硬质合金好。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属在内全部金属和非金属,且可用于精加工。

  六方氮化硼(H-BN):其结构和性能与石墨类似,又称之为白石墨,是良好的高温润滑材料和高温电绝缘材料。H-BN与大多数金属不反应、不润湿,可作为熔化和输送金属的坩锅或管道。可制造高温结构部件,如火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等。还可作为高温、高频、高压绝缘的散热部件,半导体封装散热底板,核反应堆中的中子吸收和屏蔽材料。

  3. 氮化铝陶瓷

  氮化铝陶瓷的基本特性与用途:AlN为六方晶型,密度3.26g/cm3,常压下2450℃升华分解,莫氏硬度7~9。最大的特点是导热率高,可达200W/m·K以上,热膨胀系数小,强度高,电绝缘性能好,是理想的基片材料,用作高温结构件和换热器等。

  氮化铝陶瓷的烧结过程:在氮气中于1800~1900℃下烧成,烧结助剂为SiO2、Y2O3、CaO,陶瓷的强度可达200~300MPa。

  4. 赛隆(sialon)陶瓷

  赛隆陶瓷是Si3N4与尖晶石AlN·Al2O3的固溶体,晶体结构与β-Si3N4相同,力学性能也与β-Si3N4相似,硬度、强度和导热率略低于Si3N4,但韧性比Si3N4好。

  β-Sialon的结构通式为:Si6-xAlxOxN8-x,在1700℃,X≤4.2,1400℃, X≤2。赛隆陶瓷的应用与Si3N4相似,但更适合于作为超硬刀具材料。

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