氮化硅陶瓷材料

Documentserialnumber[UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108]摘要氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅陶瓷的发展前氮化硅陶瓷材料关键词氮化硅陶瓷性能制备工艺应用Keywords随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技口益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。由于陶瓷材料的出现可以克服传统材料的不足而越来越被研究人员关注，经过努力研究，在陶瓷的制备工艺和性能方面的研究已取得很大的进步，尤其是SiN陶瓷的优越性泛认可，就其结构、性能、烧结及应用已经开始系统的研究，本文就Si3N4陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的2.氮化硅材料的基本概况crystalcell体），均属六方晶系，都是由［SiN4】四面体共用顶角构成的三维空间网络。且IdealisedSi-Nlayers（属另一晶胞）与第一层相对应，亦即在C轴方向上两层但随着研究的深入，很多现象不能用高低温型的说法解释。最明显的例子是在低于相变温度的反应烧常数c约为B相的两倍。这两个相的密度儿乎相等，所以在相变过程中不会引表ITSisN*的基本性质Table1-1ThepropertiesofSi^Na相'数aC氮化硅的基本性能有高强度，因此其抗热震性十分优良，仅次于石英和微晶玻碱和盐的腐蚀。氮化硅在正常铸造温度下对很多金属(例如铝、铅、锡、锌、黄铜、银等)、所有轻合金熔体，特别是非铁金属熔体是稳定的，不受浸润或腐蚀。对于铸铁或碳钢只要被完全浸没在熔融金的干燥氧化气氛中保持稳定，使用温度一般可高达1300°C,而在中性或还原气氛中共至可成功的应用氮化硅陶瓷具有较高的室温弯曲强度，断裂韧性值处于中上游水平，比如热压SiN强度可达si風陶瓷的由si3N.,o的强共价键本质所决定的。改善氮化硅的烧结性能在原料中加入烧结助剂，高温时烧结助剂形成玻璃相，冷却后玻璃相存在于晶界处，必须经过品界工程处理才能保持和发挥氮化硅的这一高温特性，否则晶界玻璃相在高温下软化造成晶界滑移，对高温强度、蠕变和静态疲劳中的缓慢裂纹扩展都有很大的影响。晶界滑移速度同硬度(HRA)(xlOVK)抗热震性厶T(K)热导率[W/993.氮化硅陶瓷材料的制备工艺流程及机理常压烧结制备多孔氮化硅陶瓷工艺流程及机理制备多孔氮化硅陶瓷的反应机理颗粒粘结在一起，从而提高SiN陶瓷的强度，同时促进在整个氮化反应过程中，可能发生的化学反应主要有匕33:当氮气进入反应炉后，随着炉温不断升高，氮气的活性增强，当达到一定温度时，氮气获得足够的活化能而和坯料中的硅原子发生式1、2反应,反应后放温而已濒临活化的硅原子,使这些原子得到足够应，因而也有把氮化反应称为连锁反应2O由于生成的Y-Si-Al-0-N多元液相衍射峰强度都非常低，在XRD谱上不易反应出来，因而，本试验中也可能有Y-Si-Al-0-N多元液相的存在，即式7反应的发生。现假设有该反应的发生，则可起析出机制向B-SiN转变提供了条件，因此,Y-Si-Al-0-N液相的形成促进了相转变的发生。而这些液），），动性能良好的浆料，浆料经真空除泡后加入引发剂和催化剂注浆成型，在60e反应交联固化。固化成型后的坯体经脱模、保持湿度干燥后进行排胶处理。坯体排胶在马弗炉中氧化气氛下进行，以2~采用阿基米徳法测试材料的密度和气孔率；采用INSTR0N万能材料试验机测试材料三点弯描电镜观测。采用短路波导法测试材料的介电常数，测试所用微波频率为10GHzo结果与讨论氮化硅作为一种强共价键化合物，在1850e以上就会发生明显的分解反应，即使在高温下硅和氮的扩散系数也很小，该特性决定了氮化硅陶瓷不能单靠固相烧结达到致密化，而必须加入少量烧从表1可以看出，不同的氧化物烧结助剂对响。在上述三组试样中，添加lw%t¥203的试样率，而添加lw%tA1203的试样具有最低的密度、强度、介电常数和最高的气孔率，添加lw%tLu203的试样各项性能介于前面两者之间。从其各项性能的明显差异可以看出，采用Y203作为烧结表1采用不同烧结助剂对应材料的性能测试数据说明了三种氧化物烧结助剂对氮化硅陶瓷烧结活性的促进作用的差异。氮化硅的相变是重建型的溶解再沉淀过程，这一过程将依赖于液相的产生和氮化硅颗粒在液相中的溶解及物2Si02相互作用产生液相的温度和多孔氮化硅陶瓷微观结构分析持为圆形颗粒的堆积和粘连状态，堆积颗粒之间存在大量的贯通开口气孔。材3材料强度、介电常数与孔隙率的关系率的变化曲线。从图4中可以明显看出多孔氮化硅陶瓷材料的气孔率对其弯曲强度和介电常数具有明显的影响，材料弯曲强度和介电常数随气孔率的增加都呈明显下降的变化趋势。这说明对于多孔氮化硅陶瓷材料，提高强度与降低介电常数是一对相互矛盾的性能指4一结论(2)采用凝胶注模成型和高纯氮气气氛保护烧结的工艺，成功地制备了具有较高强度和较高气氮化硅陶瓷轴承球的制备工艺及机理制备轴承球的机理高，所以制取氮化硅粉末较适宜的方法属碳热还原氮化法，即采用高纯度细二氧化硅粉，将其与作为还应得到的氮化硅粉末在氧化性气氛中600700°C下热处理除碳，得到的粉末含金属轴承球的制备工艺目前在轴承零件生产中，单一烧结(无压烧结)容易形成致密材料，但通常有残留孔隙，从而导致抗滚动接触疲劳性能差。热等静压法(HIP)被认为是最佳工氮化硅球的精研和抛光工艺与钢球的基本相似。但由于氮化硅的硬度高（HV5=氮化硅粉料球球只要在研磨盘上稍加改造，就能达到控制球的自旋回转(回转滑动)要求。将整体V形槽分解成外侧研盘方和内侧研盘G使A、B、俎个研磨盘能各自独立旋转。将一个V形槽研磨盘分成两体后，怎样才能任意改变自旋轴角度呢可参照图4加以说明。球夹在以转速覇旋转的下平面形研磨盘/和以转速灯旋转的上外侧研磨盘万以及以转速XC旋转的上内侧半径为r的球与各研磨盘接触点至研磨盘回转中心的距离。假定球以自旋轴角度H作滚大器;8-加工压力控制装置9-压力变换器;10-球研暦装置A2500三相电动机:变换器控制使用空气调节器形状尺寸＞4niu球公转半径/紅山平台转速/rmm-1硏，暦盘压力不转速控制加压力控制在工艺流程中常用的烧结助剂作用作用i效果可以保障液相妙成和制得高密度氮化越训形成促逬烧结的酒相.该相在鋭结时ShM材料在较高温度卜貝有极髙强反训使氯化艮达到疑佳烧结.训刪得高强®Si3N4Wft使材料具有优异的常温杵能.呵扳高材料的高温怦能相的组成含有Mg-Si-ON4种成分的较夏杂成分结品相有WiQ汎YSi(kN.YbkONi和YMSd)曲刃复杂氧化氮化物的形成而在闲冕结枸保陣形成Y$i-M-O-N液相烧结初期•可形成辞酸盐液相；烧结后期•出现MH）的自动斬品喊少玻璃相蔽相的形成足由于氟化锲,招旦件用的结弟商耐高超强麼•风降低梵抗更足由氣化帝来的体枳效用科上多存在干渦N」的品界理易于析出二次小吊的助烧剂名称M^C)作帀效杲与单独使用慕助悄帰土氧代物YA-ALO.4氮化硅陶瓷材料在实际中的应用外，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，在空气中加热在的用途。在机械工业中，用作涡轮叶片、高温轴承、高速切削工具等；在冶金工业中，用作站坍、燃烧嘴、铝电解槽衬里等热工设备上的部件；在化学工业中用作耐蚀耐磨零件，如球阀、泵体、燃烧器汽中的支承件和隔离体、核裂变物质的载体等何。以下是SiN陶瓷的主要应用。氮化硅陶瓷轴承中不是最硬的，韧性也不是最高的，但在轴承应用中,氮化硅被认为具有最佳的综合力学待性。各种各样的滚动接触剥落试验和轴承试验都证明致密和均质的氮化硅是具有良好的抗滚动接触疲劳特性氮化硅陶瓷轴承球具有密度低、耐磨、耐高温、耐腐蚀、绝缘、绝磁及自润滑性能好等优点，具有更好的滚动特性，特别适合于制造陶瓷球混合轴承的滚动体。密度低，降动、摩擦力和噪声降低，滚动接触疲劳寿命明显提高。基于以上优点，氮化硅陶瓷轴承球广泛应用于高速称为全陶瓷球轴承酬。通常用于制造陶瓷球轴承的陶瓷材料为热压SiNF'：。速转动产生的离心力，降低滚动体载荷。同时可以减少滚动体与滚道面之间的旋转滑动，对防止表面损伤起到有益的作用。因此，陶瓷轴承是用于高速运转领域的最佳选择，例如高速电主轴轴承、机床主轴变化的环境中更为稳定可靠，例如航空、航天领域用的轴承。(5)化工机械设备、食品、海洋等部门使用的机器，采用陶瓷轴承可以解决腐蚀问题，如水泵轴承。(6)在高真空领域，利用SiN陶瓷的自润滑性可以解决钢质轴承使用栖(7)强磁场环境使钢质轴承自身磨损下来的金属微粉被牢牢地吸附在滚动体和滚道面之间，将造成轴承的提早剥落损坏和噪声的增大。解决的办法也是使用陶瓷轴承购。T&b.lTheperformancecomparisonofsiliconnitrideceramicsandcementedcarbides瑠_兰L加3剧专强/W-斶•'热影胀杀数A10tKJ2H104.5-8.5800-1000硬禮/HRAftsas/Cpa表2氨化桂陶瓷与轴承钢的性能比较Tab.2Theperformancecomparisonofsiliconnitrideceramicsandbearingstefll住能名称住能名称凱化確阁住\轴*根总廉胀系钦/"«H/K312孩传矗來/W_tmK)42X)30徐的接齟玻费失效舷武陶瓷轴承的滚动接触性能；二是研究陶瓷轴承相关部件的结构配合设计，以及加工的可靠性和经济性；三是陶瓷轴承相关部件无损检测方法和破坏预测的技术；四是制定陶瓷轴承的检验标准。此外，采用陶瓷轴承还可以解决化工机械设备、食品、海洋等部门机器腐蚀问题。在高真空领域，利用SiN陶瓷的H润滑性可以解决钢质轴承使用润滑介质造成的真空污染问题。总之，釆用氮化硅陶瓷材料制造轴承，极大的扩展了轴承在各个领域尤其是高温和腐蚀环境中的使用范围凹。氮化硅高温材料点。其可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境，具有广泛的应用前景。由于高温结构陶瓷料之后支撑21世纪支柱产业的关键基础材料，并成为最为活跃的研究领域之一，当今世界各国都十分件等的主要候选材料。此外较其它高温结构陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有更为优异的机械性能、热学性能及化学稳定性。因而被认为是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料114-15-近年来，由于高温结构材料，具有广阔的应用领域和市场，世界各国都在竞相研究和开发X。如果用耐高温而且不易效率。我国及美国、口本等国家都已研制出了这种柴油机叭为了保护大气环境和节约能源，国内、外汽车行业都在加紧对未來汽车的研究和开发工作。随着制造技术、加工技术、设计技术和可靠性评价技术的不断提高，陶瓷零部件成本有可能急剧下降。美、日、徳等国均花巨资研制汽车上的陶瓷零、部件，我国陶瓷发动机及其它陶瓷零、部件的研究工作，已取得了很大进展。相信不久的将來，陶瓷材料在汽车上应用这一领域会有更大的突破，从而大幅度改善汽车的性能。未来的汽车将向高技术化、轻型化、节能化、无污染化等方面发展。可以预料，在不久的将来，装有高性能陶瓷发动机的新一代车用动力，其速度将更块，性能将更好。高性能陶瓷的将来发展，不可估量表1CTT涡轮机用陶瓷复合材料的研制结果部件/QVD）LRC:Cr/SiCSRC:SiCJSi-AI-O-NSRCiStN^/StjN,LRCiSi-C/Si-N-C/SiCLRCrSi-C/Si-N-C/SiC75iS(SErB^lSEVrsiH&(SEVNB)t1燃烧室内村燃烧室内村02由KYOCERA高级陶瓷材料所制造的气体涡轮机部件氮化硅基陶瓷刀具陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无可比拟的硬度和红硬性，以及较高的化学稳定性和较低的摩擦系数，在切削领域有很广阔的应用前景。用它可以进行高速切削、减少换刀次数及减少由于刀具磨损而造成的尺寸误差，因而在数控机床、加工中心上应用具有明显优势。陶瓷作为刀具材料，具有以下优良性瓷刀具具有较高的抗弯强度、较高的导热率，低的热膨胀系数，中等的弹性模量，所以其抗热震性好、(5)SiN陶瓷刀具化学稳定性较硬质合金刀具好。由于SiN陶瓷刀具的上述特性，使其适用于粗如切削氧化皮、断续切削、螺纹加工及钻孔等。特别是由于其高的抗热震性及优良的高温性能，使其更适合高速切削及继续切削。另外，陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料叭陶瓷刀具材料是最有发展潜力的高速切削刀具，在生产中有美好的应用前景，目前已引起世界各国的重视。在徳国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的合金的复合刀片，其工作表面既有陶瓷材料高的硬度与耐磨性，而基体又有硬质合金较好的抗弯强度，故能承受冲击负荷，并解决了陶瓷刀具镶焊困难等问题，为推广使用陶瓷刀具创造了条件。尤其是近儿年国内外开发的新品种，尽管至今生产还未形成规模，但因性能优异，有广泛的用途，今后必将迅速发展。可以预料，随着各种新型陶瓷刀具材料的使用，必将促进高效机床及高速切削技术的发展；而高效机床及高速切削技术的推广与应用，又将进一步推动新型陶瓷刀具材料的广泛使用。氮化硅陶瓷天线罩天线罩位于导弹最前端，既是弹体的结构件，又是寻的制导系统的重要组成部分，是一种集防热、透波、承载、耐候、气密、抗冲击等高性能要求为一体的多功能部件。随着科学技术的进步及现代战争的需要，导弹正朝着战场生存能力更强、突防速度更快、打击精度更高的方向发展。由此，导弹面临的工作环境更加恶劣，对夭线罩用透波材料提出了更为苛刻的要求，如耐高温、耐烧蚀、耐冲刷、抗热震、优异的力学性能和介电性能等。石英陶瓷透波材料发展比较成熟，具有介电性能好、成本低等优点，但是其存在使用温度偏低、韧性差、抗雨蚀性差的缺点，其基本应用极限不大于7MPa,难以满足更高速飞行器的使用要求。氮化物系陶瓷材料具有耐高温、低介电、抗热震、抗氧化等优异性能，从而成为符合超高速导弹反应烧结氮化硅的密度可以通过改变工艺参数而改变，改变氮化硅的密度可以改变材料的介电常数，从而可以满足宽频带天线罩的设计要求，这种密度可以控制的氮化硅称为可控密度氮化硅，是一种(3)抗雨蚀性能与微晶玻璃材料基本相当，而且这种材料的多孔性允许侵蚀逐渐增加，而不是使整祝Attest3DRa•?eSKW1JJT8■)f8R1M■f8R1MIAMUZR.EDM.KDLUOI■fa©WZlW•B.KSbki|■心丄Wn«n«y•5.J>3CO112Tm)U4>ooonn|aW-HOT小■UMSa«Ma«MIX1M3123J5.氮化硅陶瓷材料的研究现状和展望塑性进行成型的工艺，并提供了一种根据该工艺成型出的烧结体。把相对密度在95%以上、线密度对于型后的烧结体特別在常温下具有优异的机械性能损；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l,000°C以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎环、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来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率.中国及美国、口本等国家都已研制出了这种柴月.由中科院上海硅酸盐研究所与机电部上海内燃机研究所共同研制的S13N4电热塞，解决了柴油发动机冷态起动困难的问题，适用于直喷式或非直喷式柴油机.这种电热塞是当今最先进、最理想的柴油发动机点火装置.日本原子能研究所和三菱重工业公司研制成功了一种新的粗制泵，泵壳内装有由11个无需润滑和冷却介质就能正常运转.如果将这种泵与超真空泵如涡轮一一一分子泵结合起来，就能组成适合于核聚变反应堆或半导体处理设备使用的真空系统.工技术的改进，其性能和可靠性将不断提高，氮化硅陶瓷将获得更加广泛的应用•近年来，由于S13N4的资源，是一种理想的高温结构材料，具有广阔的应用领域和市场，世界各国都在竞相研究和开发.陶瓷材料具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化性、抗热冲击及低比重等特点.可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境，具有广泛的应用前景.成为继金属材料、高分子材料之后支撑21世纪支柱产业的关键基础材料，并成为最为活跃的研究领域之一，当今世界各国都研究与发展，作为高温结构陶瓷家族中重要成员之一的S13N4陶瓷，较其它高温结构陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有更为优异的机械性能、热学性能及化学稳定性.因而被认为是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料.可以预言，随着陶瓷的基础研究和新技术开发的不断进步，特别是复杂件和大型件制备技术的日臻SiN陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料,最能发挥优势的是其在高温领域中的应用.但是，目前人们对它的高温强度、抗热震性、高温蠕变及高温抗氧化性研究仍很少，距离高温下应用的要儿千个小时，其高温下的