结构陶瓷材料ppt课件.ppt

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1、第五章非氧化物陶瓷第一节概述氮化物、碳化物、硅化物和硼化物陶瓷等1，原料在自然界存在少，需要人工合成原料。2，原料合成和陶瓷烧结时，易产生氧化物，必须在保护气氛（Ar、N2）下进行3，非氧化物一般是键能很强的共价键，因此难熔或难烧结。第二节氮化硅陶瓷一、晶体结构氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。六方晶系α—Si3N4，针状结晶体灰白色β—Si3N4，颗粒状结晶体深色1200—1600度α—Si3N4不可逆转化β—Si3N4α—Si3N4为低温相；β—Si3N4高温相高纯α—Si3N42000—2150度都不会转化为β—Si3N4杂质如：MgO、

2、Al2O3、Y2O3高温时形成液相溶解—沉积机理SiCl4—NH3—H2系中加入少量TiCl4，1350—1450度可直接制备β—Si3N4；SiCl4—NH3—H2系在1150度生成沉淀，然后在Ar气1400度热处理6h，仅得到α—Si3N4。低于相变温度的反应烧结Si3N4中，α和β相几乎同时出现低温时，α相对称性低，较容易形成高温时，β相对称性高，热力学稳定二、Si3N4陶瓷的性能与应用1880s发现，1950s年代大规模研究我国与1970s开始研究高强度、高硬度、耐腐蚀，抗氧化和良好的抗热冲击及机械冲击性，综合性能优良1，高温难熔化合物无熔点，1

3、900度分解2，热膨胀系数小、导热性好2.8—3.2×10－6/K（1000度），与SiC、莫来石相近3，抗热震性能好，抗热振性能在陶瓷中是最好的。300—800度4，高温蠕变小，特别是加入少量SiC后5，具有优异的电绝缘性能。6，硬度大，仅次愈SiC；耐磨性好且自润滑性好，μ＝0.1，与加油的金属表面相似，极优的耐磨材料。7，化学稳定性好，抗氧化性好，表面易生成致密的SiO2保护层，最高使用温度1670度，实际使用已经可达到1400度。8，强度大最高强度可达1.7GPa，KIC＝11MPam1/29，化学稳定性好，除氢氟酸外，能耐各种酸、王水和碱液的腐

4、蚀，也能抗熔融金属的侵蚀氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达1300℃～1500℃。1998年，美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26秒才跑完全程。陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30％的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45％以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。热压烧结

5、氮化硅陶瓷用于制造形状简单的耐磨、耐高温零件和工具。如切削刀具、转子发动机刮片、高温轴承等。Si3N4轴承反应烧结氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高温，耐腐蚀，形状复杂且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封环、高温轴承、热电偶套管、燃气轮机转子叶片等；汽轮机转子叶片气阀等零件三、粉体制备超细粉体制备1980s—90s：激光诱导化学气相沉积（LICVD）等离子体气相合成（PCVD）LICVD：SiCl4和NH3气体吸收激光束吸收而产生热解或化学反应，经核成长形成10nm无定型Si3N4粉PCVD：SiCl4和NH3气体等离子化后，冷却凝聚成无无定型Si3N4纳米

6、粉体1990s自蔓延合成以硅粉为原料氮化反应，反应放热来延续氮化反应。节约能源，加热速度快，周期短β相为主，烧结性能差利用硅的氮化反应的反应烧结法及加入添加剂的致密化烧结法。烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低四、氮化硅烧结实现常压烧结，须具备原料要求：α相原料，颗粒尽可能小；采用有效添加剂，促进烧结，提高高温性能；烧结气氛，提高氮气压力；使用Si3N4+MgO+BN埋粉无压烧结法；控制保温时间，存在最佳温度和保温时间。

7、1.常压烧结常压烧结氮化硅的一般工艺是采用高α相的氮化硅粉（α－Si3N4占80%以上），添加氧化铝2~10%，氧化钇3%左右，经研磨后充分混合，颗粒度在10um以下，成型后在氮气氛中烧结，升温速率在15~20℃/min，烧结温度为1600~1800℃，保温时间为0.5~3h，压力保持在接近大气压范围内，可获得相对密度95%左右的烧结体，烧结成的制品有15~25%的线收缩。常压烧结氮化硅陶瓷的抗折强度在400~600MPa，但其使用温度高时，坯体内玻璃质晶界相的粘度下降而产生流动，以致晶粒间可以相互滑移，使高温强度下降，所以要尽量减少添加剂的加入量，限制

8、晶界玻璃相的含量。2.热压烧结热压法烧结氮化硅是直接用高α相的氮化硅粉，混以烧结