超高温材料Si(B)CN

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1、超高温陶瓷材料Si(B)CN高性能陶瓷是新材料的一个组成部分,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料,在国防现代化建设中,武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。随着我国国民经济的高速发展,工业技术水平的不断提高,人民生活的不断改善以及国防现代化的需要,迫切地需要大量的特种陶瓷产品,市场前景十分广阔。石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件,如球阀、缸套等。纺织行业需要大量的耐磨陶瓷件,如陶瓷剪刀、导丝轮等。国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料,如防弹装甲陶瓷,耐射照高温轻质隔热材料等。

2、在此我们一起了解一下高温陶瓷材料，一般高温陶瓷材料的预期使用温度在1400~1500,而超高温材料是指能在1800以上使用的材料,主要包括过渡金属(Ti、Zr、Ta等)的硼化物、碳化物以及近年出现的Si(B)CN超高温陶瓷材料等,还包括碳(石墨)和氮化硼等。这类材料的主要特点是超高温熔点、超高温稳定、超高温耐腐蚀性,应用于国防、航天、超高温电极、超高温耐腐蚀容器或保护器(与熔融金属接触),超高温涂层等。近年来,对Si(B)CN超高温陶瓷材料的研究发展很快,制备工艺主要是采用有机前驱体法,对超高温稳定化机理的研究主要集中在硼的作用上。SiC、Si3N4这一类硅基陶瓷材料具有较高的抗氧化性、高温

3、强度、化学稳定性、抗蠕变等性能,作为高温结构陶瓷材料倍受人们的青睐。但Si3N4在1400℃发生热分解SiC在1600℃氧化时性能也发生退化。因此研究新型高温材料以及对材料进行改性成为迫切需求。研究人员在这方面做了许多有益的工作,取得了一些成就,如:性能良好的SiC及Si3N4纤维的研究和开发,使纤维增强复合材料的性能不断改善。纳米SiC/Si3N4复合材料的室温强度和韧性比单组分材料提高2～5倍,且高温性能也获得较大的改进。近年来,由有机先驱体制备非晶态共价键陶瓷材料成为研究的热点。利用有机先驱体在低温(<<1000℃)制备出的SiCN及SiBCN材料,在较高的温度仍保持非晶态。在将近20

4、00℃的高温时,两种材料最后完全析晶,变成纳米结构的SiC/Si3N4或SiC。这为制备纳米结构材料提供了又一条途径。SiCN及SiBCN这种高温非晶态性质,制成的纤维将具有非常光滑的表面,这对纤维增强复合材料来说是非常重要的。合成的SiCN纤维比SiC及Si3N4纤维的耐热性和力学性能显著提高,特别是含B的SiCN纤维表面光滑,表现出极好的高温性能。根据目前的研究,SiCN纤维完全有可能满足耐高温性能>1600℃,甚至>2000℃的要求,显示了良好的前景。此外,由于SiCN及SiBCN结构中含有较多的Si—C、Si—N、C—N等共价键,很显然,它们将比SiC和Si3N4具有更高的高温性能,

5、如抗氧化性、热稳定性及高温抗蠕变性等。1高温热稳定性及抗氧化性高温陶瓷材料的选择应首先考虑的是抗环境侵蚀的能力,这包括热稳定性和抗氧化性。含硅类陶瓷材料一般具有较高的抗氧化能力,因为在表面形成SiO2保护层,阻止了氧的进一步扩散。氮化物基陶瓷材料的热稳定性主要依赖于N的分压,Si3N4在真空中于1400℃分解,产生较高的蒸气压。由先驱体制备的非晶态SiCN的分子式按摩尔比为Si1.7C1.0N1.4，材料在Ar或N2气氛中,于1400℃以上开始析晶,当温度达到1850℃时,全部析晶为α-Si3N4和α--SiC,在分解过程中,所产生的C与Si3N4反应生成SiC。在SiCN基体中加入Y2O3

6、烧结助剂,材料在1530℃开始析出α-Si3N4,在1600℃时,α-Si3N4转变成β-Si3N4,同时有少量的α-SiC析晶。当温度达到1900℃时,析晶全部完成,且α-SiC以纳米粒子分布于β-Si3N4的晶界或晶内,形成SiC/Si3N4纳米结构的复合材料。SiCN在1600℃空气中经60h的氧化,增重量为0.4%,主要是形成了致密的SiO2保护层。SiBCN的非化学计量式(摩尔比)Si3.0B1.0C4.3N2.0,其析晶温度起始于1700℃(0.1MPa,He),在2000℃高温全部转变为β-SiC,另外,还有BN和C。而且β-SiC是以纳米和微米结构形式共存。可见B的引入,提高

7、了此材料的析晶温度,它对保持高温非晶态和提高析晶温度起到了关键作用。在Si3N4、SiCN及SiBCN三种材料中,SiBCN具有较高的热稳定性。2高温抗蠕变行为SiCN及SiBCN的蠕变行为表现为三个阶段。第一阶段,蠕变速率下降;第二阶段,蠕变速率达到稳定状态;第三阶段,蠕变速率继续下降。在第一阶段,材料蠕变速率下降,可能是由于在1500℃高温下材料变形,使气孔减少,材料进一步致密化。一般情况下,随气孔率的增