非氧化物陶瓷-氮化硅陶瓷

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1、非氧化物陶瓷1非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷，是由金属的碳化物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称。是新型结构材料，特别是在耐热．耐高温结构材料领域中，能够在以往氧化物陶瓷和金属材料无法胜任的条件下使用2非氧化物陶瓷的特点(4)非氧化物陶瓷易氧化。原料合成及陶瓷烧结都需要在无氧气氛(通常是氮气、氩气或真空气氛)中进行。烧成陶瓷后在使用过程中，由于具有一定的抗氧化性，而可在较高温度下使用。不同材料具有不同的抗氧化能力，其最高使用温度也依材料而异。在高温下使用发生氧化反应将影响材料的使用寿命。(2)发展历史相对

2、比较短。比如50年代发现氮化物陶瓷具有很好的力学、热学和电学性能以后，它才日益受到人们的广泛关注和重视。(1)非氧化物陶瓷一般是共价键很强、难熔的化合物。(3)与氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷的原料在自然界中不存在，需人工合成，然后按照陶瓷工艺来做成各种陶瓷制品。3氮化硅（Si3N4）的晶体结构α-Si3N4颗粒状晶体β-Si3N4长柱状或针状晶体相同点：两者均同六方晶系，[SiN4]四面体共用顶角构成的三维空间网络.不同点：β-Si3N4比α-Si3N4的对称性高；α-Si3N4相为低温型，β-Si3N4为高温型

3、稳定性高4α-Si3N4相为低温型，β-Si3N4α-Si3N4在1400-1600℃下加热会转变成β-Si3N4，因而人们曾认为，α-Si3N4和β-Si3N4相分别为低温和高温两种晶型。反例：（1）低于相变温度的反应烧结Si3N4中，α-Si3N4和β-Si3N4两相几乎同时出现。（2）又如在另SiCl4-NH3-H2系中加入少量TiCl4，1350-1450℃可直接制备出β-Si3N4，该系在1150℃生成沉淀，然后于Ar气中1400℃热处理6小时，得到的仅为α-Si3N4。β-Si3N4可直接生成5Si3

4、N4陶瓷的制备方法反应结合氮化硅（RBSN）热压烧结氮化硅(HPSN)无压烧结氮化硅(SSN)反应结合氮化硅的重烧结（PSRBSN）热等静压烧结氮化硅共价键很强的化合物，离子扩散系数很低，因此很难烧结6反应结合氮化硅氮化反应和烧结同时进行α和β两相的混合物73Si+2N2=Si3N4摩尔体积36.1644.06（cm3/mol）体积增加22%，有助于坯体致密化8反应结合氮化硅工艺的优点制造形状很复杂的产品，不需要昂贵的机械加工，尺寸精度容易控制；不需要添加烧结助剂9反应结合氮化硅工艺的要求硅粉的杂质少，粒度小（过

5、200目筛）素坯成型时根据需要加入临时粘结剂。密度与成型方法的关系：等静压＞干压＞浇注或挤压素坯的初步氮化：1150-1200℃保温1-1.5小时，坯体获得一定的强度坯体的加工，烧成后体积变化小，尺寸精度保持在0.1%氮化烧成：加入催化剂促进氮化，如氧化铁、氟化钙等10热压烧结氮化硅热压烧结氮化硅可获得密度和强度高的制品。同时需要加入适量的烧结助剂，如MgO,BeO,Y2O3,Al2O3,氟化物等质量分数＞90%高温高压α-Si3N4细粉烧结助剂制品高压使传质过程加速11图10-11热压机结构示意图1.液压机压杆

6、2.石墨压杆3.模具4.发热体5.热压材料6.炉体隔热材料7.炉体外壳8.观察孔12实验原理13MgO烧结助剂的热压烧结原理MgO是最先使用的烧结助剂原理：烧结助剂和Si3N4粉末所含杂质（如SiO2）以及Si3N4本身反应生成液相，通过液相烧结机理促进致密化过程。SiO2+MgO=MgSiO3SiO2+2MgO=Mg2SiO4熔化润湿Si3N4颗粒，填充于颗粒之间表面张力作用，颗粒重排密度增加，气孔率下降14使用烧结助剂时需考虑使用纯度高的氮化硅原料（杂质降低玻璃相的粘度）采用形成粘度较高玻璃相的烧结助剂经过热

7、处理使玻璃相析晶15热压烧结氮化硅的优缺点优点：可获得密度和强度高的制品缺点：生成效率低，成本高，产品形状简单，后续机加工困难16无压烧结氮化硅解决反应烧结产品密度低，性能不佳；而热压烧结生产效率低，成本高，产品形状简单，后续加工困难等缺点。17无压烧结获得致密氮化硅陶瓷原料粉末细化高α相含量采用有效的烧结助剂气氛压力烧结使用Si3N4+BN+MgO(5:4:1)埋粉控制保温时间高表面能，接触面积多，晶界面积大，扩散距离短α→β相变，获得镶嵌结构复合添加剂，如同时添加Y2O3和Al2O3抑制失重、促进致密化18反

8、应结合氮化硅的重烧结反应结合氮化硅（RBSN）:尺寸精确，强度低热压烧结氮化硅(HPSN)：强度高，形状单一无压烧结氮化硅(SSN)：反应结合氮化硅的重烧结(PSRBSN)-新材料制备工艺采用超细粉体，制备工艺困难，生坯密度低，收缩率高，尺寸公差大19反应结合氮化硅的重烧结-优点起始原料为Si粉，价格便宜反应结合氮化硅（RBSN）的生产工艺较为成熟，如注浆和注模反应结合氮