氮化硅陶瓷的制备及其应用

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1、氮化硅陶瓷的制备及其应用摘要：氮化硅陶瓷是一种具旮广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具旮强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被f'泛应用于各行业。关键词:氮化硅陶瓷，制备方法，增韧，研究进展，应用基本性质：Si3N4陶瓷是一种丼价键化合物，基本结构单元为［SiN4］四而体，硅原子位于四面体的中心，在其有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原了的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。氮化硅的很多性能都归结于此结构。纯Si3N4奋a和（3两种晶体结构

2、，均为六角晶形，其分解温度在空气屮为1800°C,在011MPa鉍屮为1850°C。Si3N4热膨胀系数低、导热率故耐热冲击性极佳。热灰烧结的M化硅加热到IOOCTC后投入冷水中也不会破裂。在不太高的溫度下，Si3N4具有较高的强度和抗冲击性，但在120CTC以上会随使用时间的增长而!li现破损，使其强度降低，在1450°C以上更易出现疲劳损坏，所以SI3N4的使用温度一般不超过1300°C。由于Si3N4的理论密度低，比钢和工程超耐热合金钢轻得多，所以，在那些要求材料具奋尚强度、低密度、耐髙温等性质的地方用Si3N4陶瓷去代替合金钢是

3、再合适不过了。制备方法：氮化硅陶瓷的制备技术发展很快，屮于Si3N4是强共价化合物，其扩散系数、致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，这决定了纯氮化硅不能靠常规M相烧结达到致密化。H前氮化硅陶瓷烧结工艺方法主要有：常压烧结、反应烧结、热压烧结、气压烧结等。1：常压烧结：常压烧结是以高纯、超细、高a相含量的氮化硅粉末与少量助烧剂混合，通过成形、烧结等工序制备而成。由于常压烧结法很难制备高密度的纯氮化硅材料，为了获得高性能的氮化硅材料，需耍加入助烧剂与Si3N4粉体表面的Si02反应，在高温下形成液和，活化烧结过程，通过溶解

4、析出机制使其致密。因此，常压烧结Si3N4研究的关键在于选择合适的助烧剂。口前常用的助烧剂主要冇：MgO、Y203、稀十元索氧化物、复合助烧剂等，这些助烧剂能控制液相粘度，提高相转变，防止固溶体形成，降低品格氧合量并控制玻璃相组成和合2：气压烧结法：近几年来，人们对气压烧结进行丫大量的研究，获得丫很大的进展。气压烧结氮化硅在1〜10MPa气压下，2000°C左心温度下进行。高的氮气压抑制了氮化硅的高温分解。由子采用高温烧结，在添加较少烧结助剂情况下，也足以促进Si3N4晶粒生长，而获得密度＞99%的含有原位生长的长柱状晶粒高韧性陶瓷.因

5、此气压烧结无论在实验室还是在生产上都得到越来越大的重视.气压烧结氮化硅陶瓷具奋高韧性、高强度和好的耐磨性，可直接制取接近最终形状的各种复杂形状制品，从而可大幅度降低生产成本和加工费用.而且其生产工艺接近于硬质合金生产工艺，适用于大规模生产。3：反应烧结法：是采用一般成型法，先将硅粉压制成所需形状的生坏，放入氮化炉经预氮化（部分氮化）烧结处理，预氮化后的生坯已具有一定的强度，可以进行各种机械加工（如车、刨、铣、钻）.最后，在硅熔点的温度以上；将生坯再一次进行完全氮化烧结，得到尺寸变化很小的产品（即生坯烧结后，收缩率很小，线收缩率＜011%

6、）.该产品一般不需研磨加工即可使用。反应烧结法适于制造形状复杂，尺寸精确的零件，成木也低，但氮化吋间很长。4：热压烧结法：是将Si3N4粉末和少量添加剂（如MgO、AI2O3、MgF2、Fe2O3等），在1916MPa以上的压强和1600°C以上的温度进行热压成型烧结。英国和美国的一些公司采用的热压烧结Si3N4陶瓷，其强度高达981MPa以上。烧结吋添加物和物相组成对产品性能有很大的影响。由于严格控制晶界相的组成，以及在Si3N4陶瓷烧结后•进行适当的热处理，所以对以获得即使温度高达1300°C时强度（可达490MPa以上）也不会明显

7、卜*降的Si3N4系陶瓷材料，而且抗蠕变性可提高三个数景级。若对Si3N4陶瓷材料进行14001500°0高温预氧化处理，则在陶瓷材料表面上形成Si2N2O和，它能兄著提高Si3N4陶瓷的耐氧化性和高温强度。热压烧结法生产的Si3N4陶瓷的机械性能比反应烧结的Si3N4要优异，强度高、密度大。但制造成本高、烧结设备复杂，由于烧结体收缩大，使产品的尺、I精度受到一定的限制，难以制造复杂零件，只能制造形状简单的零件制品，工件的机械加工也较困难。5：其它制备方法：重烧结是将反应烧结的Si3N4烧结坯在助烧剂存在的情况下，置于氮化硅粉末中，在高

8、温下重烧结，可得到致密的Si3N4制品，重烧结过程中的收缩仅宥69C1O%,可制备形状复杂、性能优&的部件。热等静压烧结是将氮化硅及助烧剂的浞合物粉末封装到金展或玻璃包套屮，抽真空后通过高压气体在高温下烧结