氮化硅陶瓷制備與應用-行業(yè)資訊

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氮化硅主要由氮化硅組成，耐熱沖擊性和高溫強度。這些特性使其成為汽車發(fā)動機和燃氣輪機中的理想材料。它可用被應用于渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、柴油發(fā)動機中的發(fā)熱插頭和帶電插拔中，還被用于很多其它不同應用中。（欲知詳情，請隨時聯(lián)系我公司wx。）
【氮化硅陶瓷特點】
1、氮化硅在高溫下具有高強度和斷裂韌性。它被用作為汽車發(fā)動機、燃氣輪機和燃燒室零部件中的高溫結(jié)構(gòu)件。
2、氮化硅的熱膨脹系數(shù)小，同時具有的耐熱沖擊性。

【氮化硅陶瓷工藝特點】
1、成型工藝
擠制成型主要用于制造片形、 棒形和管形制品, 如電阻的基體蜂窩陶瓷載體的陶瓷棒、 陶瓷 管等陶瓷制品。 該成型方法生產(chǎn), 產(chǎn)量大、 操作簡便, 使用的擠壓機分臥式和立式兩 種。配料中新土含量較大時,成型的坯料一般不加黏合劑,配料經(jīng)過真空練泥、閑料后即可 用于擠制成型。坯料中一般含水量為 16%一 25%。配料中含茹土少或不含教土時,將均勻 混合了熟合劑的粉料經(jīng)真空練泥和閑料后,再用于擠制成型。
2、燒結(jié)工藝
氮化硅陶瓷材料燒結(jié)工藝
致密氮化硅陶瓷材料常用的燒結(jié)方式有以下幾種：反應燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)以及熱壓燒結(jié)，近年來放電等離子燒結(jié)、無壓燒結(jié)等燒結(jié)方式也因其具有的不同優(yōu)勢受到學者的關注。

（1）氣壓燒結(jié)
氣壓燒結(jié)時較高的氮氣壓可使氮化硅的分解溫度升高，因此氣壓燒結(jié)氮化硅時一般采用較高的燒結(jié)溫度，而燒結(jié)溫度的升高有利于氮化硅晶粒的生長和完善，有利于提高燒結(jié)體的熱導率。

（2）反應燒結(jié)
反應燒結(jié)指將原料成型體在一定溫度下通過固相，液相和氣相相互間發(fā)生化學反應，同時進行致密化和規(guī)定組分的合成，得到預定的燒結(jié)體的過程。在反應燒結(jié)過程中液相的存在是非常重要的。反應燒結(jié)制備氮化硅陶瓷工藝為：將高純度硅粉與粘結(jié)劑混合后成型，然后放入N2氣氛或浸入熔融的硅中，使坯體中的硅或氮氣或熔融硅反應來制備氮化硅制品。

（3）無壓燒結(jié)
無壓燒結(jié)指在正常壓力（0.1MPa）下，將具有一定形狀的陶瓷素坯經(jīng)高溫煅燒，物理化學反應制成致密、堅硬、體積穩(wěn)定，具有一定性能的固結(jié)體的過程。為了降低氮化硅材料的成本，運用便宜的低純度β-氮化硅粉末，通過無壓燒結(jié)制備了氮化硅陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)β-氮化硅粉末具有很好的燒結(jié)性能，得到由柱狀顆粒和小球狀顆粒形成的嵌套結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成比較均勻，沒有晶粒的異常生長。

（4）放電等離子燒結(jié)
放電等離子燒結(jié)具有升溫快、加熱均勻以及燒結(jié)溫度等特點，可完成致密燒結(jié)體的快速燒結(jié)，而這對于高熱導率氮化硅燒結(jié)制備過程的影響較小，在燒結(jié)后依舊需要長時間的高溫熱處理獲得晶粒生長較好的氮化硅陶瓷材料。

（5）重燒結(jié)
重燒結(jié)是指將反應燒結(jié)后的氮化硅坯體在燒結(jié)助劑存在的情況下，置于氮化硅粉末中，然后在高溫下進行重燒結(jié)，從而得到致密的氮化硅制品。燒結(jié)助劑可以在硅粉球磨時引入，也可以用浸漬的方法在反應燒結(jié)之后引入。因為反應燒結(jié)過程可進行預加工，在重燒結(jié)過程中的收縮僅有5%-10%，所以此方法可制備性能優(yōu)良且形狀復雜的部件。

氮化硅具有強共價鍵結(jié)構(gòu)，它的燒結(jié)非常困難，同時氮化硅材料即便在高溫下，氮和硅的體擴散系數(shù)也很小，與此同時在1600℃以上，氮化硅就會明顯分解，因此，如何實現(xiàn)高強度且致密氮化硅陶瓷材料的低成本制備技術是當前氮化硅燒結(jié)工藝研究的。
3、生產(chǎn)工藝流程
氮化硅陶瓷制品的生產(chǎn)方法有兩種，即反應燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。反應燒結(jié)法是將硅粉或硅粉與氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生產(chǎn)方法成型。然后在氮化爐內(nèi)，在1150~1200℃預氮化，獲得一定強度后，可在機床上進行機械加工，接著在1350~1450℃進一步氮化18~36h，直到全部變?yōu)榈铻橹?。這樣制得的產(chǎn)品尺寸，體積穩(wěn)定。熱壓燒結(jié)法則是將氮化硅粉與少量添加劑（如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等），在19.6MPa以上的壓力和1600~1700℃條件下壓熱成型燒結(jié)。通常熱壓燒結(jié)法制得的產(chǎn)品比反應燒結(jié)制得的產(chǎn)品密度高，性能好。


【氮化硅陶瓷實拍圖】
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【氮化硅陶瓷制備】
制備方法：氮化硅陶瓷的制備技術發(fā)展很快，由于氮化硅是強共價化合物，其 擴散系數(shù)、致密化所的體積擴散及晶界擴散速度、燒結(jié)驅(qū)動力很小，這決定了純氮化硅不能靠常規(guī)固相燒結(jié)達到致密化。目前氮化硅陶瓷燒結(jié)工藝方法主要有：常壓燒結(jié)、反應燒結(jié) 、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)等。
1：常壓燒結(jié)：常壓燒結(jié)是以高純、超細、高α相含量的氮化硅粉末與少量 助燒劑混合，通過成形、燒結(jié)等工序制備而成。由于常壓燒結(jié)法很難制備高密度的純氮化硅材料，為了獲得的氮化硅材料，需要加入助燒劑與氮化硅粉體表面的SiO2反應,在高溫下形成液相，活化燒結(jié)過程，通過溶解析出機制使其致密。因此，常壓燒結(jié)氮化硅研究的關鍵在于選擇合適的助燒劑。目前常用的助燒劑主要有：MgO、Y2O3、稀土元素氧化物、復合助燒劑等，這些助燒劑能控制液相粘度，提高相轉(zhuǎn)變，防止固溶體形成，降低晶格氧含量并控制玻璃相組成和含量。
2：氣壓燒結(jié)法：近幾年來,人們對氣壓燒結(jié)進行了大量的研究，獲得了很大 的進展。氣壓燒結(jié)氮化硅在1～10MPa氣壓下，2000℃左右溫度下進行。高的氮氣壓抑制了氮化硅的高溫分解。由于采用高溫燒結(jié)，在添加較少燒結(jié)助劑情況下，也足以促進氮化硅晶粒生長，而獲得密度>99%的含有原位生長的長柱狀晶粒高韌性陶瓷.因此氣壓燒結(jié)無論在實驗室還是在生產(chǎn)上都得到越來越大的重視.氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷具有高韌性、高強度和好的耐磨性，可直接制取接近 終形狀的各種復雜形狀制品，從而可大幅度降低生產(chǎn)成本和加工費用. 而且其生產(chǎn)工藝接近于硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
3：反應燒結(jié)法：是采用一般成型法，先將硅粉壓制成所需形狀的生坯，放 入氮化爐經(jīng)預氮化（部分氮化）燒結(jié)處理，預氮化后的生坯已具有一定的強度，可以進行各種機械加工（如車、刨、銑、鉆). 后，在硅熔點的溫度以上；將生坯再一次進行完全氮化燒結(jié)，得到尺寸變化很小的產(chǎn)品（即生坯燒結(jié)后，收縮率很小，線收縮率<011%).該產(chǎn)品一般不需研磨加工即可使用。反應燒結(jié)法適于制造形狀復雜，尺寸的零件，成本也低，但氮化時間很長。
4：熱壓燒結(jié)法：是將氮化硅粉末和少量添加劑（如MgO、Al2O3、MgF2、 Fe2O3等） ，在 1916MPa以上的壓強和1600℃以上的溫度進行熱壓成型燒結(jié)。英國和美國的一些公司采用的熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷，其強度高達 981MPa以上。燒結(jié)時添加物和物相組成對產(chǎn)品性能有很大的影響。由于嚴格控制晶界相的組成，以及在氮化硅陶瓷燒結(jié)后進行適當?shù)臒崽幚?，所以可以獲得即使溫度高達1300℃時強度（可達490MPa以上）也不會明顯下降的氮化硅系陶瓷材料，而且抗蠕變性可提高三個數(shù)量級。若對 氮化硅陶瓷材料進行1400———1500℃高溫預氧化處理，則在陶瓷材料表面上形成Si2N2O相，它能顯著提高氮化硅 陶瓷的耐氧化性和高溫強度。熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)的氮化硅陶瓷的機械性能比反應燒結(jié)的氮化硅要，強度高、密度大。但制造成本高、燒結(jié)設備復雜，由于燒結(jié)體收縮大，使產(chǎn)品的尺寸精度受到一定的限制，難以制造復雜零件， 只能制造形狀簡單的零件制品，工件的機械加工也較困難。
5 ：其它制備方法：重燒結(jié)是將反應燒結(jié)的氮化硅燒結(jié)坯在助燒劑存在的情 況下，置于氮化硅粉末中，在高溫下重燒結(jié)，可得到致密的氮化硅制品，重燒結(jié)過程中的收縮僅有6%~10%，可制備形狀復雜、性能優(yōu)良的部件。熱等靜壓燒結(jié)是將氮化硅及助燒劑的混合物粉末封裝到金屬或玻璃包套中，抽真空后通過高壓氣體在高溫下燒結(jié)，制得的氮化硅陶瓷可達理論密度，但工藝復雜成本較高。此外，近年來還發(fā)展了如壓燒結(jié)、化學氣相沉積、爆炸成形等燒結(jié)和致密化工藝均獲得不錯的效果。
【氮化硅陶瓷性能】
氮化硅陶瓷材料作為一種的高溫工程材料，能發(fā)揮優(yōu)勢的是其在高溫領域中的應用。它極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解，并有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕；同時又是一種電絕緣材料。氮化硅與水幾乎不發(fā)生作用；在濃強酸溶液中緩慢水解生成銨鹽和二氧化硅；易溶于氫氟酸，與稀酸不起作用。濃強堿溶液能緩慢腐蝕氮化硅，熔融的強堿能很快使氮化硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}和氨。

氮化硅材料的這些性能足以與高溫合金相媲美。但作為高溫結(jié)構(gòu)材料，它也存在抗機械沖擊強度低，容易發(fā)生脆性斷裂等缺點。為此，在利用氮化硅制造復雜材料，尤其是氮化硅結(jié)合碳化硅以及用晶須和添加其它化合物進行氮化硅陶瓷增韌的研究中運用廣泛。
【氮化硅陶瓷應用及用途】
應用：由于氮化硅陶瓷的性能，它已在許多工業(yè)領域獲得廣泛應用。如： 在機械工業(yè)中用作渦輪葉片、機械密封環(huán)、高溫軸承、高速切削工具、性模具等；冶金工業(yè)中用作坩堝、燃燒嘴、鋁電解槽襯里等熱工設備上的部件；化學工業(yè)中用作耐蝕、耐磨零件包括球閥、泵體、燃燒器、汽化器等；電子工業(yè)中用作薄膜電容器、高溫絕緣體等；航空航天領域用作雷達天線罩、發(fā)動機等；原子能工業(yè)中用作原子反應堆中的支承件和隔離件、核裂變物質(zhì)的載體等。氮化硅陶瓷具有的綜合性能和豐富的資源，是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的應用領域和市場，都在競相研究和開發(fā)?？梢灶A言：隨著陶瓷的基礎研究和新技術? 開發(fā)的不斷進步，特別是復雜件和大型件制備技術的日臻完善，氮化硅陶瓷材料作為性能優(yōu)良的工程材料將得到更廣泛的應用。

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