材料制备技术小论文

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1、摘要Si3N4陶瓷作为结构陶瓷，具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能以及良好的抗热震性能。另一方面，Si3N4陶瓷也具有功能陶瓷的属性，优良的介电性等。无论是作为结构陶瓷还是功能陶瓷，都希望Si3N4陶瓷具有更加优异的性能和适合的价格。本文从Si3N4陶瓷的原料制备，成型工艺，烧结过程，总结高性能Si3N4陶瓷的工艺过程。关键词：Si3N4陶瓷；结构陶瓷；功能陶瓷；原料制备；成型工艺；烧结过程IIIAbstractSi3N4ceramicshasexcellentabrasionresistance,corrosionresist

2、ance,heatresistanceandgoodthermalshockresistanceasstructuralceramics.Ontheotherhand,Si3N4ceramicalsohaspropertiesoffunctionalceramics,excellentdielectricproperties.Eitherasstructuralceramicsorfunctionalceramics,everonehopeSi3N4ceramichasmoreexcellentperformanceandiss

3、uitablefortheprice.ThisarticledescribestheprocessofhighperformanceSi3N4ceramicfromtheSi3N4ceramicrawmaterialpreparation,molding,sinteringprocess.Keywords:Siliconnitride;Structuralceramics;Functionalceramics;Rawmaterialpreparation;Castingprocess;SinteringprocessIIIIII

4、第1章绪论随着科学技术的不断发展，对材料的研究与应用提出了更高的要求，传统材料难以满足日益发展的要求。随着人们逐渐认识到陶瓷的潜在优势，工程陶瓷材料越来越受到重视，并取得了许多突破性进展。二次大战结束后，原子能、火箭、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫使人们去寻找更能承受高温，比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料。Si3N4的出色表现，激起了人们对它的热情和兴趣[1]。自1859年Deville[2]等人首次成功合成Si3N4开始，Si3N4陶瓷材料的制备及性能成为人们关注的焦点。有关其应用的文献报道最早出现在上世纪50年

5、代，Si3N4最初作为碳化硅和氧化物粘结相应用于耐火材料，随后用于制造坩埚、热电偶管、火箭喷嘴等[3]。上世纪60年代，随着对高温性能（尤其热震性能）优良的新型材料需求的增加，作为高温结构发动机的潜在应用材料—Si3N4陶瓷材料的发展速度明显升高。自上世纪70年代Si3N4陶瓷燃气轮机项目研发开始，Si3N4陶瓷材料的开发一直以陶瓷与电子工业为主，不断向其它应用领域扩展，其研究方向主要有五个基本分支：Si3N4基本物理性能、非晶薄膜Si3N4、粉末制备、多孔Si3N4陶瓷材料和致密Si3N4陶瓷材料[3]。制约高性能Si3N4陶

6、瓷应用的主要障碍是制造成本高、可靠性差和生产一致性差。15第2章Si3N4陶瓷基本性质Si3N4是一种共价键化合物，其基本结构单元为[SiN4]四面体，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构[4]。在[SiN4]四面体中Si原子与N原子以共价键结合，而且Si-N键具有很高的键强。事实上，Si3N4陶瓷的很多性能(如高强度、高硬度、耐高温和难烧结等)都是与Si-N强共价键有关。Si3N4的晶体结构属六方晶系，有两个结晶相，α相和β相。其中β-Si3N4结构较为稳定，Si3N4在1300℃时会发生α→β相变，常压1877℃[5]直接分

7、解为液态硅和氮气。α相对称性低容易生成，β相从热力学的角度上比较稳定。如图1.1所示，二者唯一结构区别是沿c轴的堆垛顺序，β相Si3N4的每个单位晶胞中含有两个分子，结构上由Si和N原子在c轴按…ABAB…堆积成六方结构；α相Si3N4的每个单位晶胞中含有四个分子，结构上由Si和N原子在c轴按…ABCDABCD…堆积成六方结构，发生相变时，氮化硅四面体以c轴垂线为轴心旋转180°。图1.1a）β-Si3N4的单晶结构；b）α-Si3N4的单晶结构Si3N415陶瓷材料，具有高比强、高比模、高硬度、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震

8、等优良的综合性能。Krstic[6]等人根据Popper总结的文献将Si3N4陶瓷材料的基本物理性能列表，详见表1-1。Si3N4热膨胀系数也较低、导热率高，在陶瓷材料中有较高的断裂韧性。耐热冲击性也极佳，热压烧结的Si3N4加热到l000℃后投入冷水中也不会破