氮化硅的常压烧结和性能研究

1毕 业 论 文论文题目氮化硅的常压烧结和性能研究 学生姓名 赵某 学 号 20071344 专业班级 金属材料 指导教师 2目录摘要： .2Abstract:.31 引言 .41.1 氮化硅陶瓷的基本性质 .51.2 氮化硅陶瓷优异的性能 .61.3 氮化硅的种类及特性 .61.6 氮化硅陶瓷的制造 .71.6.1 氮化硅陶瓷制备工艺的主要环节 .71.6.2 主要工艺类型和特点 .71.6.2.1 反应烧结法( RS)： .81.6.2.2 热压烧结法( HPS)： .81.6.2.3 常压烧结法( PLS)： .91.6.2.4 气压烧结法( GPS)： .91.7 氮化硅陶瓷的现状及市场前景 .92.实验 .122.1 氮化硅陶瓷烧结工艺 .142.2 实验结果与分析 .152.2.1 烧结温度对氮化硅陶瓷相结构的影响 .152.2.2 原始粉末粒度对氮化硅陶瓷性能的影响 .162.2.3 烧结助剂对氮化硅陶瓷性能的影响 .183.结论 .22致谢 .233【参考文献】 .24氮化硅的常压烧结和性能研究摘要：氮化硅烧结必须添加烧结助剂，不同的粉末粒度也会对烧结产生影响。本试验通过对显微组织和性能测试来分析讨论不同粒度的粉末和不同的烧结添加剂对氮化硅陶瓷性能的影响，得出结论如下：在常压烧结中，初始粉末的晶粒尺寸越小，氮化硅烧结越容易得到较高的性能参数；5wt% MgO -5wt% Y2O3的组合对烧结的促进作用是最明显的，得到的性能参数最理想；随着样品的烧结温度升高，材料的致密化程度增加，力学性能提高。关键词：氮化硅；常压烧结；烧结剂；粉末粒度4Normal pressure sintering and properties of Silicon nitride Abstract: Sintering aids must be added into sintered silicon nitride, different particle size will also affect the sintering. In this experiment,we use the microstructure and properties of the test to analyze the discussion of different particle size powders and different sintering additives on the properties of silicon nitride ceramics and concluded as follows: in the pressureless sintering,the smaller the grain size of the initial powder , the more readily available silicon nitride sintered high performance parameters; 5wt% MgO-5wt% Y2O3s role in promoting the combination of sintering is the most obvious,we can get the best performance parameters; With the sample sintering temperature increasing, the level of densification increased and mechanical properties improved.Keywords: Silicon nitride; no pressure sintering; sintering agent; powder intensity51 引言由于科学技术的不断发展需要，科学家们一直在不停顿地寻找适用于苛刻条件下使用的理想的新材料。在层出不穷的大量新材料队伍中，氮化硅陶瓷可算是脱颖而出，十分引人注目，日益受到世界各国科学家们的重视。氮化硅（Si 3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。氮化硅陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料。该陶瓷于 19 世纪 80 年代被发现，20 世纪 50 年代获得较大规模发展。中国是在 20 世纪 70 年代初开始研究，到20 世纪 80 年代中期已取得一定成绩。该材料具有高强度、高硬度、耐磨蚀、抗氧化和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良，最有希望替代镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新型材料，因此近二三十年来颇受青睐和重视。氮化硅陶瓷因为具有优良的机械、物理和化学性能，所以被广泛应用于高温材料。本实验采用相对比较简单的常压烧结方式制备氮化硅陶瓷。常压烧结制备氮化硅陶瓷有着以下优势：制品形状的可变性良好，生产成本低廉。这两个优势的存在使得该制备方法有着较好的应用前景。由于氮化硅粉体属于瘠性粉体，其烧结性能很差。因此，氮化硅烧结必须添加烧结助剂。在烧结助剂的选择上可以选择包括氧化物、氮化物、硼化物等能促进液相烧结并致密化的物质。在烧结过程中要尽可能多的产生液相，同时抑制玻璃相的形成。此外,不同的粉末粒度也会对烧结产生影响。本章主要通过显微组织和性能测试来分析讨6论不同粒度的粉末和不同的烧结添加剂对氮化硅陶瓷性能的影响。1.1 氮化硅陶瓷的基本性质氮化硅分子式为 Si3N4，属于共价键结合的化合物。氮化硅陶瓷属于多晶材料，晶体结构属于六方晶系，一般分为 、 两种晶向，均由 SiN4四面体构成，其中 - Si 3N4对称性较高，摩尔体积较小，在温度上是热力学稳定相，而- Si3N4在动力学上较容易生成。高温时（14001800） 会发生相变，成为 型，这种相变是不可逆的，故 相有利于烧结。不同晶相的氮化硅外观是不同的，- Si3N4呈白色或灰白色疏松羊毛状或针状，- Si3N4则颜色较深，呈致密的颗粒多面体或短棱柱状，氮化硅晶体是透明或半透明的，氮化硅陶瓷的外观是灰白色、蓝色到灰黑色，因密度，相比例的不同而异，也有因添加剂呈其他色泽，氮化硅陶瓷经抛光后，有金属色泽。氮化硅的制备技术在过去几年发展很快,制备工艺主要集中在反应烧结法、热压烧结法和常压烧结法、气压烧结法等类型. 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(如孔隙度和孔隙形貌、晶粒形貌、晶间形貌以及晶间第二相含量等). 因而各项性能差别很大 . 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. 用不同方法制备的 Si3N4 粉质量不完全相同,这就导致了其在用途上的差异,许多陶瓷材料应用的失败,往往归咎于开发者不了解各种陶瓷粉末之间的差别,对其性质认识不足. 一般来说,高质量的Si3N4 粉应具有 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. 好的 Si3N4 粉中 相至少应占 90%,这是由于Si3N4 在烧结过程中,部分 相会转变成 相, 而没有足够的 相含量,就会降低陶瓷材料的强度.1.2 氮化硅陶瓷优异的性能氮化硅陶瓷的优异的性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有：7(1)机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达 980MPa 以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到 1200不下降。(2)热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到 1000的热冲击不会开裂。(3)化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF 除外）和浓度在 30以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。(4)密度低，比重小，仅是钢的 2/5，电绝缘性好。1.3 氮化硅的种类及特性氮 化 硅 陶 瓷 是 一 种 烧 结 时 不 收 缩 的 无 机 材 料 。 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 的 高 温 下 进 行 初 步氮 化 ， 使 其 中 一 部 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 的 高 温 炉 中 进 行 第 二 次 氮 化 ， 反应 成 氮 化 硅 。 用 热 压 烧 结 法 可 制 得 达 到 理 论 密 度 的 氮 化 硅 。 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 一 。 它 极 耐 高 温 ，强 度 一 直 可 以 维 持 到 的 高 温 而 不 下 降 ， 受 热 后 不 会 熔 成 融 体 ， 一直 到 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 以 下 的 烧 碱 溶 液 ， 也 能 耐 很 多 有 机 酸 的 腐 蚀 ； 同 时 又 是 一 种 高性 能 电 绝 缘 材 料 。 氮 化 硅 陶 瓷 可 做 燃 气 轮 机 的 燃 烧 室 、 机 械 密 封 环 、 输 送 铝液 的 电 磁 泵 的 管 道 及 阀 门 、 永 久 性 模 具 、 钢 水 分 离 环 等 。 氮 化 硅 摩 擦 系 数 小的 特 点 特 别 适 合 制 作 为 高 温 轴 承 使 用 ， 其 工 作 温 度 可 达 ， 比 普通 合 金 轴 承 的 工 作 温 度 提 高 . 倍 ， 而 工 作 速 度 是 普 通 轴 承 的 倍 。 利用 氮 化 硅 陶 瓷 很 好 的 电 绝 缘 性 和 耐 急 冷 急 热 性 可 以 用 来 做 电 热 塞 ， 用 它 进 行汽 车 点 火 可 使 发 动 机 起 动 时 间 大 大 缩 短 ， 并 能 在 寒 冷 天 气 迅 速 启 动 汽 车 。 氮化 硅 陶 瓷 还 有 良 好 的 透 微 波 性 能 、 介 电 性 以 及 高 温 强 度 ， 作 为 导 弹 和 飞 机 的雷 达 天 线 罩 ， 可 在 个 马 赫 甚 至 个 马 赫 的 飞 行 速 度 下 使 用 。1.6 氮化硅陶瓷的制造8氮化硅是共价键很强的化合物，离子扩散系数很低，因此很难烧结。氮化硅陶瓷制造工艺已经经历了二十多年的发展史，使其质量逐渐提高。而工艺流程基本未变，因为也属典型的陶瓷工艺，主要是在各个工艺环节上进行了不断的改进。1.6.1 氮化硅陶瓷制备工艺的主要环节制备氮化硅陶瓷制品的工艺流程一般由原料处理、粉体合成、粉料处理、成形、生坯处理、烧结、陶瓷体处理等环节组成。图 1-1 氮化硅陶瓷制备工艺的主要环节1.6.2 主要工艺类型和特点从图 11 中可知，由于几个主要环节如合成、成形、烧结可以有多种方法进行选择，而且有的在次序上也不一定完全一致，因此具体的工艺流程有很多种。几个主要工艺类型及特点详见表 42。表 12 中的几种工艺制得的氮化硅陶瓷制品不论是在显微结构上还是在性能方面都有较大的差别，在制造成本上差距也很大。因此，在实际应用中应根据制品的用途和所需要达到的性能指标，以及价格等诸因素综合考虑后进行选择。表 1-2 氮化硅陶瓷制备的主要工艺类型和特点9对各种工艺分别作如下介绍:1.6.2.1 反应烧结法( RS)：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、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 99%的含有原位生长的长柱状晶粒高韧性陶瓷. 因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有高韧性、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.1.7 氮化硅陶瓷的现状及市场前景先进结构陶瓷氮化硅及氮化硅基复合材料具有在常温和高温下一系列独特优异的物理、化学和生物性能，如强度和硬度高、蠕变小、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀以及与生物具有较好相容性等。因此，在高新技术领域和现代工业生产的许多部门有着广阔的应用前景。由于碳化硅具有能 承 受 高 温 和 温 度 急 变 、 强 度 高 、 重 量 轻 且 长 寿 的 特 点 。因 此 它 可 以 被 用 来 制 造 宇 宙 飞 船 的 各 个 部 件 ， 就 比 如 宇 宙 飞 船 内 仓 的 耐 高 温隔 热 板 ， 它 就 是 用 碳 化 硅 陶 瓷 制 成 的 。 高 新