新型无机非金属材料

新型无机非金属材料新型无机非金属材料 新型无机非金属材料9 1概概述现代陶瓷 新型陶瓷 特种陶瓷 精 细陶瓷 高性能陶瓷 高技术陶瓷 与传统陶瓷的比较传统陶瓷陶 器 瓷器陶器粘土 700 1000 多孔 脆 强度低 瓷器瓷石 高岭土 1100 1300 致密 脆 强度低 现代陶瓷高纯人工合成 1300 高致密 高强 高韧 分类按成分氧化物陶瓷Al2O 3 SiO 2 ZrO 2 BaTiO 3 ZrSiO4碳化物陶瓷SiC WC B4C TiC 氮化物陶瓷Si3N 4 AlN BN TiN 硼化物陶瓷ZrB 2 TiB2按性能和用途结构陶瓷结构零部件 主要使用其力学 热 学 化学性能 如耐磨 耐高温 抗氧化 功能陶瓷功能器件 主要使用物理性能 如压电陶瓷 磁性陶瓷 发光材料 生物陶瓷人工骨 齿 生物相容性 包括氧化物 氮化物 碳化物 金属陶瓷9 1 1陶瓷的显微结构 晶 体相 结晶相 玻璃相 气相Al2O3陶瓷的显微结构1相 结晶相2相 玻璃相3 气相9 1 2陶瓷材料的性能特点化学键离子键 共价键 优点 硬度高 耐磨性好 熔点高 耐热性好 化学稳定性高 耐 蚀性好 缺点 塑性变形困难 脆性大 裂纹敏感性强 致命缺点 脆性大 韧化很重要 9 1 3陶瓷的力学性能9 1 3 1弹性性能 11 弹性和弹性模量弹性模量仍可用虎克定律描述 E E E 原子间距的微小变化所需外力的大小 22 温度对E E的影响温度升高 原子间距增大 弹性模量降低 热膨胀系数小 弹性模量高 33 E E与熔点的关系E E与熔点成正比例关系 V V a a 原子体积或分子体积 E与kT m V a之间成线性关系 T Tm m E 氧化物 44 E E与致密度的关系随气孔率增加 E E急剧下降 即致密度提高 E E提高 E E O O exp BP P P 气孔率气孔率对Al2O3陶瓷弹性模量的影响大多数陶瓷材料的泊松比 都小于金属的泊松比 BeO MgO除外 一些陶瓷材料在室温下的泊 松比9 1 3 2硬度 1 常温硬度与强度间无对应关系 测定方式维氏HV 显微Hm 洛氏HR测试表面应用金刚石研磨膏抛光 成镜面 一些常用陶瓷材料的硬度值 22 高温硬度用维氏或显微硬度法测定 与高温强度有一定对应关系 长时保载可显示其蠕变特性 故用于 表征其高温性能 33 硬度与其他性能之间的关系E 20HV 常温下成立 温度升高 HV下降明显 E HV随T T升高而增大 HV K IC某种程度可表示材料的脆性断裂程度 陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系9 1 3 3强度室温强度只能测到断 裂强度 f f值 一般只测弯曲强度 拉伸强度很少测定 1 组织因素对强度的影响陶瓷的缺陷晶界上气孔 裂纹 玻璃相 晶内气孔 孪晶界 层错 位错等a 气孔率对强度的影响强度随 气孔率的增加近似按指数规律下降 Ryskewitsch公式 00exp P P 气孔率 00 P 0时的强度 常数 在4 7之间 当当P 10 时 下降到 00的一半 硬瓷P 3 陶器P 10 15 为获得高强度 应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料 一些材料的室温强度Al2O3的强度与气孔率的关系b 晶粒尺寸对强 度的影响符合Hall Patch关系 d减小 强度 f f d 1 2 努力获得细晶粒组织 对提高室温强度有利而无害 c 晶界相的性质与厚度 晶粒形状对强度的影响晶界相低熔点 但 促进致密化 晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的作用 玻璃相对强度不利 应尽量减少 可通过热处理使其晶化 晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒 高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求 晶粒尺寸小 晶体缺陷少 晶粒尺寸均匀 等轴 晶界相含量适当 并尽量减少晶界玻璃 相含量 减少气孔率 尽量接近理论密度 2 温度对强度的影响陶瓷的最大特点高温强度比金属高得多 有三区A区T0 5Tm 有塑变 f f随随T上升明显降低 C区T继续升高 二维滑移系开动 有交滑移 产生 松弛了应力集中 f f随随T升高而上升 陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图从中可得最高使用温度 在 f f明显降低前的温度 温度对陶瓷材料强度的影响9 1 3 4 断裂韧性用线弹性断裂力学来描述其断裂行为 评介参数K IC金属的K IC比陶瓷高1 2个数量级 实际应用中 应设法大幅提高和改善陶瓷的韧性 一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较9 1 4陶瓷的韧化 自增韧陶瓷烧 结或热处理使其内部自生出增韧相 外加第二相增韧纤维 晶粒 颗粒 1 ZrO2同素异构转变及相变韧化的概念ZrO2同素异构转变液相 L 立方相 c 正方相 t 单斜相 m 其中t m转变时 将产生3 5 的体积膨胀 属属M相变 相变韧化将ZrO2的t m相变Ms点稳定到比室温稍低 而而M d 形变M点 点比室温高 使其在承载时由应力诱发产生t m相变 由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的能量 从而表现 异常高的韧性 9 1 4 1相变韧化立方相 c 正方相 t 单斜相 m 2 PSZ TZP和FSZ为使t m相变稳定在室温承载时发生 必须加 入稳定剂 Y2O3 使ZrO2可分别获得t m双相 c t双相 c t m 三相 纯纯t相或纯c相组织 只有纯纯m相无相变韧化 PSZ Partially StabilizedZirconia 部分稳定化氧化锆t m c t c t m三相均含 有亚稳t相相的复相组织 可产生t m相变韧化效应 TZP Tetrayunal ZirconiaPolycrystal 正方相氧化锆多晶纯纯t相 FSZ Fully StabilizedZirconia 全稳定氧化锆纯c相 当稳定剂含量较低 快冷至c t双相区等温时效 可析出t t相 也会产生t m相变韧化作用 33 ZrO22基陶瓷t m相变的晶粒尺寸效应t t相的稳定性随晶粒直径的减小而增大 Ms点随d 而 d Ms 点 t相的稳定性 t m转变临界晶粒尺寸d d c cd d c c 室温下t t已转变为m m d 应力诱发t m相变的临界粒径d d i id d i i t m相变诱发显微裂纹的临界直径d d m md d m m 相变时诱发了显微裂纹 d d c c 这种显微裂纹与残余应力均会产生韧化作用 d di i 44 韧化机理分析a 相变韧化当裂纹扩展进入含有t t ZrO22晶粒的区域时 在裂纹场尖端应力场的作用下 裂纹尖端形成 过程区内的t t相ZrO22将发生t m相变 因相变体积膨胀吸收能量使K K IC 同时还会对裂纹产生压应力 阻碍裂纹扩展 也使K K IC 122 01 22 0211W VEe RW VEeKfTfTCTE 弹性模量及泊松比 V f 粒子体积百分数 e T 无约束相变应变 W 过程区宽度的一半 在某应力水平下无相变基体中裂纹可以扩展有相变韧化的基体中裂 纹停止扩展 须增加应力水平才能使其继续扩展 裂纹扩展入转变区受到残余压应力作用相变增韧机理示意图随应力 水平的提高 裂纹尖端产生t m相变的过程不断前进 并在后面裂 纹上下留下过程区轨迹 此也使陶瓷强化 即相变既增韧 也增强 b 显微裂纹韧化显微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开 而分散和吸 收能量 使主裂纹扩展阻力增大 从而 K IC 前提微裂纹细小不相互连接 K ICM 0 25E11f f S S w1 2E E11 主裂纹尖端含有微裂纹材料的弹性模量f fS S 显微裂纹密度 显微裂纹引起的膨胀应变 K ICM fS例ZrO22增韧Al22O O33陶瓷 d d mm 引起显微裂纹 对某一粒径有一最佳ZrO22含量 1 25 m 15 6 4 m 4 即此 时ZrO22粒子转变诱发显微裂纹的密度较高 又不相互连接 当ZrO22含量过高时 显微裂纹相互连接而使K KIC下降 还可看出 随d 临界ZrO22含量 临界裂纹密度 大d d诱发的裂纹尺寸大 易连接形成危险裂纹 f f ZrO22图说明 显微裂纹增韧不强化 ZrO22含量及粒径对Al22O O33 ZrO22陶瓷韧性的影响c 残余应力韧化d d 当裂纹扩展入残余应力区时 残余应力释放 同时有闭合阻碍裂纹 扩展的作用 使K KIC 产生 K ICS 复合韧化在含有ZrO22相变韧化的陶瓷中 上述几种韧化机理常同 时产生 因为晶粒尺寸不是绝对均匀单一的 而是一个范围 d d mm显微裂纹韧化d d Y2O3的摩尔分数2 c相多 t相少 相变增韧效果也不显著 Y PSZ的断裂韧性与xY2O3的关系 55 相变增韧其它基体陶瓷ZrO22的t m相变韧化作用及其派生的 显微裂纹韧化及残余应力韧化作用引入Al22O O 33 Si33N N44等基体 可使韧性得到显著 例a a ZrO22增韧Al22O O33基体复合材料ZrO22含量约10 K KIC及 f f均提高 热压Al2O3 ZrO2 2Y 陶瓷的力学性能韧化效果于 基体晶粒细化 t m相变 韧化 显微裂纹韧化 裂纹转向与分叉韧化 ZrO2 Al2O3陶瓷中ZrO2粒子诱发微裂纹及主裂纹遇ZrO2粒子转向b b ZrO22增韧莫莱石复合材料 ZrO22增韧Si33N N44复合材料ZrO22相变增韧与增强同时存在 ZrO2增韧莫来石及Si3N4复合材料的性能9 1 4 2纤维韧化纤维韧化 纤维增强 定向或取向或无序排布的纤维加入 均使陶瓷基复合 材料韧性显著提高 同时强度和抗热震性也有显著提高 11 单向排布长纤维增韧特点具有各向异性 纵向性能大大高于 横向性能 应用单轴应力的场合 机理纤维拔出机理纤维阻碍裂纹扩展 须增大应力使纤维拔出直至 纤维断裂而使韧性提高 裂纹转向机理纤维的断裂并非在同一裂纹平面 主裂纹沿纤维断裂位置的不同发生裂纹转向 使裂纹扩展路径曲折 而使裂纹表面积增加 而使裂纹扩展阻力增加 使韧性进一步提高 断裂韧性可表示为K KIC K ICO K ICfp p K ICff K ICO W fp W ff K KIC 复合材料的断裂韧性 K KICO 基体的断裂韧性 K ICfp p 纤维拔出产生的断裂韧性增量 K ICff 纤维断裂产生的断裂韧性增量 C f Si3N4复合材料断口侧面形貌 22 多维多向排布纤维增韧包括二维多向排布或编织纤维增韧陶 瓷基复合材料 二维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料用于在二维 和三维方向上均要求有高于性能的场合 如宇航飞行器防热部件 缺点制备工艺复杂 需专用设备 工艺技术难度大 质量不易控制 成本高 9 1 4 3短纤维 晶须及颗粒韧化 11 短纤维增韧陶瓷基复合材料制备工艺将长纤维剪 切 短 3mm 分散并与基体粉末混合均匀 用热压烧结方法制成复合材 料 特点沿加压面上的性能优于垂直加压面上的性能 冷压成型或热压烧结时 原无序随机取向的短纤维沿压力方向转动 沿加压面择优取向 若挤压成型 可使短纤维定向排布 C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布C纤维增强Pyrex玻璃中纤 维的定向排布加入纤维使复合材料断裂功 W W 提高 定向排布可在高纤维体积分数时得到更高的W W 无序分布时 则有极大值 C纤维含量对C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响 22 晶须增韧陶瓷基复合材料陶瓷晶须具有一定长径比 0 3 1 m L30 100 m 缺陷很少的陶瓷小单晶 具有很高的强度 常用的有SiC晶须 Si33N N44晶须 Al22O O33晶须等 制备工艺直接与基体粉末混合均匀 再热压烧结 ZrO2 Y2O3 SiC复合材料的力学性能SiC WW增韧Al22O O33基复合材料的力学性能 f f K KIC均随SiC WW含量增加而提高 SiC WW含量达30 时 f f 600MPa KIC 7MPa mm1 2 ZrO22的K KIC较Al22O O33高得多 Al2O3 SiC复合材料的力学性能强韧化机理与纤维增韧大体相同 靠 晶须的拔出桥连与裂纹转向机制 对拔出桥连机制晶须拔出长度临界值l l po若晶须某一端距主裂纹距离l l po 则拔出 若晶须两端距主裂纹距离l lpo 则晶须先断裂再拔 出 纤维与基体界面强度对韧化机制及韧化效果的影响界面强度过高晶 须将于基体一体断裂 限制晶须的拔出 减小拔出机制对韧性的贡 献 但提高强化效果 界面强度过低减小晶须拔出功 对韧和强化都不利 界面强度应有一个最佳值 晶须拔出桥连及裂纹转向的SEM照片 33 颗粒增韧陶瓷基复合材料工艺与晶须相同性能增韧效果不如 晶须与纤维 但仍有一定增韧效果 同时提高高温强度 高温蠕变 性能 常用SiC TiC颗粒增韧Al22O O 33 Si33N N44基体 制刀具 SiC PP增韧Si33N N44 SiC P5 时 f f及K KIC均达峰值 机理细化基体晶粒 裂纹转向与分叉 SiC颗粒含量对SiC P Si3N4复合材料性能的影响 44 晶须与颗粒复合增韧陶瓷材料 SiC WW 晶须 与ZrO22 颗粒 复合增韧机理SiC WW拔出桥连与裂纹转向机制 ZrO22相变韧化机制共同作用 例ZrO22 SiC WW复合增韧Al22O O33基体材料 在20 SiC WW和30 ZrO22 Y Y22OO33 时 复合材料的G Gf f达1200Mpa K KIC达10MPa mm1 2以上 SiC W与与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性 a b Al2O3 ZrO22 0 Y2O3 SiC w c d Al2O3 SiCw ZrO2 Y2O3 ZrO22 SiC WW增韧莫莱石 由224 452 551 580K KIC由2 8 4 4 5 4 6 7 SiC WW与SiC PP复合韧化机理晶须拔出桥连与裂纹转向颗粒细化晶粒 裂纹转向 与分叉优点颗粒取代晶须 致密度 SiC W增韧莫来石及Si3N4复合材料的强度与韧性9 2氧化物陶瓷氧化物熔 点 密度 103kg m 3抗拉强度 MPa抗压强度 MPa弹性模量 103MPa抗氧化性热稳定性抗 磨蚀能力Al2O320503 982552943375中等高高MgO28003 58981373210 中等低中等ZrO227155 701472060169中等低高BeO25703 0098785304 中等高中等ThO230509 69981472137中等低高常见氧化物陶瓷的性能 原子结合以离子键为主 存在部分共价键 熔点大多在2000 以上 烧成温度在1800 左右 强度随温度的升高而降低 但是1000 以下一直保持较高的强度 9 2 1氧化铝 刚玉 陶瓷有十多种同素异构体 但常见的主要有三 种 Al2O 3 Al2O 3 Al2O3 Al2O3属于立方尖晶石型结构 高温下不稳定 在1600 转变为 Al2O3 Al2O3在高温下十分稳定 在达到熔点2050 之前没有晶型转变 工业上所指的氧化铝陶瓷一般是指以以 Al2O3为主晶相的陶瓷原料 Al2O3属于六方晶系 晶胞结构中O2 排成密排六方结构 Al3 占据间隙位置 单胞的晶格常数a 0 512nm 55 17 氧原子和铝原子的密置层系按ABABAB 的方式 堆积 在自然界中存在含少量Cr Fe和Ti的氧化铝 根据含杂质的多少 氧化铝可呈红色 如红宝石 或蓝色 如蓝宝石 实际生产中 氧化铝陶瓷按Al2O3含量可分为 75 95和99等几种瓷 其中含量超过99 的称为刚玉瓷或纯刚玉 Al2O3的晶体结构 Al2O3的特性密度3 96 4 01g cm3 莫氏硬度9 仅次于金刚石 红硬性达1200 熔点2050 抗氧化 热稳定性好 电阻率高 导热率低 介电损耗小 用途要求高硬度的各类工具 如切削淬火钢刀具 磨料 磨轮 金 属拔丝模 轴承 人造宝石等 耐火材料 如刚玉耐火砖 高压器皿 坩埚 电炉炉管 热电偶套 管等 电绝缘材料和绝热材料 如电路基板 管座 火花塞等 高温耐火结构材料 如空压机泵零件 9 2 2氧化锆陶瓷ZrO2晶体有三种结构单斜相 m 正方相 t 立方相 c 密度分别为5 65g cm 3 6 10g cm 3 6 27g cm3 t m冷却 1000 体积膨胀 m t加热 1200 体积收缩 防 止相变分裂加入的稳定剂MgO CaO Y2O 3 CeO2和其他稀土氧化物 特性耐火度高 比热小 导热系数小 高温时抗酸性和中性熔融金 属的浸蚀 强度高 断裂韧性和抗冲击性能高 有氧离子传导特性 用途高温隔热材料 如高温炉内衬 耐热涂层 反应堆绝热材料 铂 锗等金属的冶炼坩埚 氧气传感器 增韧添加剂 9 2 3氧化镁陶瓷氧化镁晶格中离子堆积紧密 离子排列对称性高 晶格缺陷少 难以烧结 为了改善烧结性能须加入添加剂 CaF B2O 3 TiO2等可以与MgO形成低共熔点液相促进烧结 MgO陶瓷多数采用注浆法生产 氧化镁陶瓷的导热率略大于Al2O3 但热膨胀系数特别大 而抗折强 度又比较小 故抗热震性能不是很好 但在高温时的抗压强度高 能经受较大载荷 MgO陶瓷对碱性熔渣有较强的抗侵蚀能力 与镁 镍 铀 钍 锌 铝 钼 铁 铜 铂等不起化学作用 可用于制备熔炼金属的坩埚 浇注金属的模子 高温热电偶的保护管 高温炉的内衬材料 缺点热稳定性差 MgO在高温下易被还原成金属镁 在空气中 特别 是在潮湿空气中 极易水化 形成氢氧化镁 如果采用MgO电熔作原料 水化问题可得到解决 以氧化镁为基料的大部分陶瓷材料都作为耐火材料使用 9 2 4氧化铍陶瓷氧化铍晶体属六方晶系 在熔点以下无同质异构转 变 特点耐热性极好 因而具有很高的热稳定性 虽然其强度性能不高 但抗热冲击性较高 消散高能辐射的能力强 阻尼系数大 导电 率很低 介电常数很高 应用制造坩埚 还可用作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等 在高温时 是最好的绝缘材料 另外 气体激光管 晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等也多 用该种陶瓷制造 9 3碳化物陶瓷原子结合较强的共价键结合 优点熔点高3000 硬度大近于金刚石 机械强度高 化学稳定 性好 良好的电导率和热导率 包括碳化硅 碳化硼 碳化铈 碳化钼 碳化铌 碳化钛 碳化钨 碳化钽 碳化钒 碳化锆 碳化铪等9 3 1碳化硅陶瓷有两种晶型 即 SiC和 SiC SiC属于纤锌矿结构的六方晶系 高温稳定的晶型 SiC属于闪锌矿结构 面心立方结构中 碳处于结点位置 硅位于另 一套面心立方点阵位置上 低温稳定的晶型 二者晶体结构的基本单元都是碳硅四面体 四面体中心有一个硅原 子 顶角共有4个碳原子 SiC和 SiC的晶体结特性 外观无色透明 含有碳 铁 硅等质 呈浅绿色 或黑色 密度3 2 103kg m 3 弯曲强度和抗弯强度200MPa 250MPa和1000MPa 1500MPa 硬 度莫氏9 2 9 5 显微硬度为3400MPa 仅次于金刚石 立方氮化硼 和B4C等少数几种物质 热导率很高 而热膨胀系数很小 具有优异的高温强度和抗高温蠕 变能力 热压SiC陶瓷在1600 的高温抗弯强度基本和室温相同 但 在900 1300 时会慢慢氧化 SiC陶瓷没有熔点 在常压下2500 时发生分解 抗热震性好 具有负温度系数特点 即温度升高 电阻率下降 通常用于加热元 件 应用 1400 以上最有价值的高温结构陶瓷 高温燃气轮机高温部件 提高使用性能的重要侯选材料 氧化物 氮化物结合碳化硅材料已经大规模地用于冶金 轻工 机 械 建材 环保 能源等领域的炉膛结构材料 隔焰板 炉管 炉 膛 以及各种窑具制品中 碳化硅材料制备的发热元件正逐步成为1600 以下氧化气氛加热的 主要元件 耐酸 耐碱泵的密封环 火箭尾气喷管 高效热交换 器 9 3 2碳化硼陶瓷碳化硼B4C具有低密度 高的中子吸收截面等独特 性能 因此它是碳化物陶瓷中较重要的材料 碳化硼的晶体结构以斜方六面体为主 每个晶胞中含有15个原子 在斜方六面体的角上分布着硼的正二十 面体 在最长的对角线上有三个硼原子 碳原子很容易取代这三个 硼原子的全部或部分 从而形成一系列不同化学计量比的化合物 当碳原子取代了3个硼原子时 形成严格化学计量比的碳化硼硼 B4C 当碳原子取代2个硼原子时 形成B12C2等 因此 碳化硼 B4C 是由相互间以共价键相联的12个原子 B11C 组成的20面体群以及20 面体之间的C B C原子链构成 而B13C2是由B11C组成的二十面体和B B C链构成 由于B C原子在20面体及其之间的原子链内的相互取代 使得碳化 硼的含碳量可以在一个范围 8 82 20wt 内变化 碳化硼的晶体结构性能特点高熔点 约2450 低比重 理论密 度2 52g cm3 其密度仅是钢的1 3 低热膨胀系数 2 6 5 8 10 6 1 高导热性 100 时的导热率为0 29W cm 高硬度和高 耐磨性 其硬度仅低于金刚石和立方BN 较高的强度和一定的断裂 韧性 热压的抗弯强度为400 600MPa 断裂韧性为6 0MPa m1 2 具有较大的热电动势 100 V K 是高温P型半导体 随着B4C中碳含量的减少 可从P型半导体转变成N型半导体 具有高 的中子吸收截面 碳化硼陶瓷的硬度极高 抗磨粒磨损能力很强 熔点高达达2450 左右 但在高温下会快速氧化 并且与热或熔融黑色金属发生反应 因此其使用温度限定在980 以下 用途作磨料 有时用于超硬质工具材料 还可以制作各种耐磨零件 如喷沙嘴 拉丝模 切削刀具 高温耐 蚀轴承等 热电偶元件 高温半导体 宇宙飞船上的热电转化装 置 防弹装甲 反应堆控制棒与屏蔽材料等 9 3 3碳化钛陶瓷碳化物陶瓷属于面心立方晶型 熔点高 硬度大 化学稳定性好 强度较高 导热性较好 不水解 高温抗氧化性好 在常温下不与酸起反应 但在硝酸和氢氟酸的混合酸中能溶解 在1000的氮气气氛里能形成氮化物 碳化物陶瓷硬度大 是生产硬质合金的重要原料 具有良好的力学 性能 可用于制造耐磨材料 切削刀具材料 机械零件等 由于不 与有些金属发生反应 还可制作熔炼锡 铅 镉 锌等金属的坩埚 透明碳化物陶瓷还是良好的光学材料 9 3 4其他碳化物陶瓷碳化铈 碳化钼 碳化铌 碳化钨 碳化钽和 碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高 普通在2000 以上的中性或还原 气氛作高温材料 碳化铌 碳化钛等甚至可用于2500 以上的氮气气氛 在各类碳化物陶瓷中 碳化铪的熔点最高 达2900 此类碳化物陶瓷熔点高 硬度大 主要用作超硬工具材料 耐磨材 料 以及高温结构材料 利用导热性好 膨胀系数的的特点 可用作导热性材料 发热材料 9 4氮化物陶瓷 氮化物包括非金属和金属元素氮化物 它们都是高 熔点物质 氮化物陶瓷种类很多 但都不是天然矿物 而是人工合成的 氮化硅 Si3N4 和氮化硼 BN 是最常见的氮化物陶瓷 氮化物容易蒸发 从而限制了其在真空条件的使用 氮化物抗氧 化能力差 从而限制了其在空气中的使用 9 4 1氮化硅陶瓷结构 不稳定的低温型 Si3N4和稳定的高温型 Si3N4两种 均为六方晶系的晶体 在氮化硅中 Si原子和周围的4个N原子形成共价键 形成 Si N4 四面体结构单元 所有四面体共享顶角构成三维空间网 形成氮 化硅 Si3N4的堆垛顺序为ABCDABCD Si3N4的堆垛顺序为ABABAB 二者的晶胞参数在C轴上相差约一倍 Si3N4c 0 2991 Si3N4 c 0 5618 a Si N4 四面体结构b Si3N4的结构特性及应用 键强很高的共价化合物 极其稳定 不易 和其他物质反应 具有良好的化学稳定性 除了氢氟酸外 能耐各种无机酸 如盐酸 硝酸 硫酸 磷酸和王 水 和碱溶液的腐蚀 也能抵抗熔融非铁金属 如铅 铝 锡 锌 镍 银 黄铜等 的侵蚀 是优良的耐腐蚀材料 也是制作测量 铝液热电偶套管 非铁金属熔炼和铸造时的铸模 坩埚 马弗炉炉 膛 燃烧嘴 金属热处理支撑架等的理想材料 硬度高 有良好的耐磨性 摩擦系数小 只有0 1 1 2 同加油的 金属表面差不多 而且本身具有润滑性 可以在没有润滑剂的条件 下使用 所以是优良的耐磨减磨材料 热膨胀系数小 有比其他陶瓷优越的抗高温蠕变性能 具有良好的 抗热震的能力 在在1200 以下具有较高的机械性能和化学稳定性 所以可做优良 的高温结构材料 密度只有合金钢的1 3左右 可以大大减轻发动机的自重 可制作 燃气轮机零件 还有优异的电绝缘性能 氮化硅的制造方法不同 得到陶瓷的晶格类型不同 强度等性能不 同 因而应用领域也各不一样 热压烧结的氮化硅以 Si3N4为主晶相 主要用于制造高温轴承 转子叶片 静叶片 加工 难切削材料的刀具以及拉拔不锈刚管的浮动芯棒等 热压氮化硅由于组织密度 气孔率可接近为零 因而密度很高 一 般室温抗弯强度为800 1000Mpa 加入某些添加剂后 抗弯强度高达1500Mpa 生产中 在Si3N4中加一定量Al2O3烧制成的陶瓷可制造柴油机的气 缸 活塞和燃气轮机的转动叶轮 性能表现出较好的效果 反应烧结的氮化硅是以 Si3N4为主晶相 主要用于制造各种硼的耐蚀 耐磨密封环等零件 反应烧结氮化硅中尚有20 30 的气孔 密度不及热压氮化硅 但和 95瓷相近 因为一般陶瓷在烧结时不可避免地要发生体积收缩 而反应烧结氮 化硅在硅元素被氮化的时候 体积膨胀23 它刚好弥补了烧结过程 中体积的收缩 因此瓷坯的几何尺寸变化极微小 一般在1 3 到千 分之三范围内 可以获得尺寸精度高 形状复杂的的产品 但由于受氮化深度的限制 它不能制成厚壁零件 一般厚度不超过2 0 30mm 在在Si3N4的基本上添加一定数量的Al2O3 构成Si Al O N系统陶瓷 以组成中种陶瓷的四种元素的词头字母命名为赛伦 Si alon 赛伦陶瓷的物理性能与 Si3N4相似 热膨胀系数小 化学性能与Al2O3相近 抗氧化性能高 这类材料可以用常压烧结的方法达到或接近热压氮化硅材料的性能 并有优越的化学稳定性 耐磨性以及良好的热稳定性 是一种正 在发展中的陶瓷材料 目前反应烧结和气压烧结的氮化硅材料已经批量生产 在刀具 发 动机零部件 密封环等领域广泛应用 热压制成的氮化硅基陶瓷刀具在切削冷硬铸铁时切削寿命可以达到 硬质合金YG8的30倍 日本生产的汽车发动机陶瓷挺柱已经投入市场 日本还计划用5年时 间研究采用新型陶瓷材料制造飞机发动机零部件 包括涡轮叶片 燃 烧器壁等各种零部件 预计中种飞机发动机的能源利用率将比普 通飞机发动机高大约30 9 4 2氮化硼陶瓷氮化硼的结构 性质与碳有许多相似之处 氮化硼 材料存在六方结构和立方结构