结构陶瓷氧化硅

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1、氮化硅陶瓷及其烧结技术简介siliconnitrideceramics摘要：由于氮化硅具有很多优良的性能，使得它成为一种非常具有应用前景的的新型材料。但是，由于氮化硅陶瓷是一种多晶材料，而对多晶材料而言，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学等性能的•个极其重要的因素。因此，晶界强度就决定了氮化硅陶瓷能否作为高温工程材料。关键词：氮化硅陶瓷多晶材料烧结技术以氮化硅（SisN）为主要成分的陶瓷材料称为氮化硅陶瓷，其最显著的特点就是烧结时不收缩。1•微观结构.SisN4陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为［SiN4］四而体,硅原子位于四面体的中心，四个氮原

2、子分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四而体共用一个原子的形式，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.2.基本性能氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之-O它极耐高温，强度一直可以维持到1200°C的高温而不下降,受热后不会熔成融体，一直到1900°C才会分解，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀；同时乂是一种高性能电绝缘材料。2.制备工艺它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及1200°C的高温下进行初步氮化，使其中一部

3、分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。然后在1350°C〜1450°C的高温炉屮进行第二次氮化，反应成氮化硅。3.主要应用Si3N4陶瓷是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，木身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化.而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1,000°C以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂・。人们常常利用氮化硅陶瓷的这些优异的性能来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件.如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷來制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量

4、，节省燃料，而且能够提高热效率.利用Si3N4重量轻和刚度大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度，产生热量少，而且能在较高的温度和腐蚀性介质屮操作.用S13N4陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热等特性，用于650°C锅炉几个月后无明显损坏。由于氮化硅具有以上优良的性能，使得它成为一种非常具有应用前景的的新型材料。但是，由于氮化硅陶瓷是一种多晶材料，而对多晶材料而言，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学等性能的一个极其重要的因素。因此，晶界强度就决定了氮化硅陶瓷能否作为高温工程材料。由于氮化硅分了的Si-N键中共价键成分为70%,离了键成

5、分为30%,因而是高共价性化合物，而且氮原子和硅原子的自扩散系数很小，致密化所必需的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，只有当烧结温度接近氮化硅分散温度（大于1850°C）时，原子迁移才有足够的速度。这决定了纯氮化硅不能靠常规I古I相烧结达到致密化，所以除用硅粉直接氮化的反应烧结外，其它方法都需采用烧结助剂，利用液相烧结原理进行致密化烧结[4],因此研究烧结助剂对氮化硅陶瓷致密化烧结的影响显得尤为重要。目前这儿年发展起來的制备工艺主要有反应烧结法、热压烧结法和常压烧结法、气压烧结法等。由于制备工艺不同，各类型氮化硅陶瓷具有不同的微观结构因而各项性能

6、差别很大。要得到性能优良的Si3N4陶瓷材料，首先应制备高质量的Si3N4粉末。一般來说，高质量的Si3N4粉应具有a相含量高，组成均匀，杂质少且在陶瓷中分布均匀，粒径小且粒度分布窄及分散性好等特性。1、反应烧结法（RS）是采用一般成型法，先将硅粉压制成所需形状的生坯，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、创、铳、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.2、热压烧结（HPS）是将S13N4粉末和少量添加剂（如Mg0>A]203、MgF2、Fe20

7、3等），在1916MPa以上的压强和1600°C以上的温度进行热压成型烧结・。烧结时添加物和物相组成对产品性能有很大的影响.由于严格控制品界相的组成，以及在Si3N4陶瓷烧结后进行适当的热处理，所以可以获得即使温度高达1300°C时强度也不会明显下降的Si3N4系陶瓷材料，而且抗蠕变性可提高三个数量级.3、常压烧结法(PLS)是在提高烧结氮气氛压力方面，利用S13N4分解温度升高的性质，在17001800°C温度范圉内进行常压烧结后，再在18002000°C温度范围内进行气压烧结。4、气压烧结法(GPS)气压烧结氮化硅在1〜lOMPa气压下，2000°

8、C左右温度下进行.高的氮气压抑制了氮化硅的高温分解.由于采用高温烧结，在添加较少烧结助剂情况下