氮化硅陶瓷材料简介及其在机械上的应用

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氮化硅主要由氮化硅组成，耐热冲击性和高温强度。这些特性使其成为汽车发动机和燃气轮机中的理想材料。它可用被应用于涡轮增压器转子、柴油发动机中的发热插头和带电插拔中，还被用于很多其它不同应用中。（欲知详情，请随时联系我公司wx。）
【氮化硅陶瓷特点】
1、氮化硅在高温下具有高强度和断裂韧性。它被用作为汽车发动机、燃气轮机和燃烧室零部件中的高温结构件。
2、氮化硅的热膨胀系数小，同时具有的耐热冲击性。

【氮化硅陶瓷工艺特点】
1、成型工艺
挤制成型主要用于制造片形、 棒形和管形制品, 如电阻的基体蜂窝陶瓷载体的陶瓷棒、 陶瓷 管等陶瓷制品。 该成型方法生产, 产量大、 操作简便, 使用的挤压机分卧式和立式两 种。配料中新土含量较大时,成型的坯料一般不加黏合剂,配料经过真空练泥、闲料后即可 用于挤制成型。坯料中一般含水量为 16%一 25%。配料中含茹土少或不含教土时,将均匀 混合了熟合剂的粉料经真空练泥和闲料后,再用于挤制成型。
2、烧结工艺
氮化硅陶瓷材料烧结工艺
致密氮化硅陶瓷材料常用的烧结方式有以下几种：反应烧结、气压烧结、热等静压烧结以及热压烧结，近年来放电等离子烧结、无压烧结等烧结方式也因其具有的不同优势受到学者的关注。

（1）气压烧结
气压烧结时较高的氮气压可使氮化硅的分解温度升高，因此气压烧结氮化硅时一般采用较高的烧结温度，而烧结温度的升高有利于氮化硅晶粒的生长和完善，有利于提高烧结体的热导率。

（2）反应烧结
反应烧结指将原料成型体在一定温度下通过固相，液相和气相相互间发生化学反应，同时进行致密化和规定组分的合成，得到预定的烧结体的过程。在反应烧结过程中液相的存在是非常重要的。反应烧结制备氮化硅陶瓷工艺为：将高纯度硅粉与粘结剂混合后成型，然后放入N2气氛或浸入熔融的硅中，使坯体中的硅或氮气或熔融硅反应来制备氮化硅制品。

（3）无压烧结
无压烧结指在正常压力（0.1MPa）下，将具有一定形状的陶瓷素坯经高温煅烧，物理化学反应制成致密、坚硬、体积稳定，具有一定性能的固结体的过程。为了降低氮化硅材料的成本，运用便宜的低纯度β-氮化硅粉末，通过无压烧结制备了氮化硅陶瓷材料，发现β-氮化硅粉末具有很好的烧结性能，得到由柱状颗粒和小球状颗粒形成的嵌套结构，结构组成比较均匀，没有晶粒的异常生长。

（4）放电等离子烧结
放电等离子烧结具有升温快、加热均匀以及烧结温度等特点，可完成致密烧结体的快速烧结，而这对于高热导率氮化硅烧结制备过程的影响较小，在烧结后依旧需要长时间的高温热处理获得晶粒生长较好的氮化硅陶瓷材料。

（5）重烧结
重烧结是指将反应烧结后的氮化硅坯体在烧结助剂存在的情况下，置于氮化硅粉末中，然后在高温下进行重烧结，从而得到致密的氮化硅制品。烧结助剂可以在硅粉球磨时引入，也可以用浸渍的方法在反应烧结之后引入。因为反应烧结过程可进行预加工，在重烧结过程中的收缩仅有5%-10%，所以此方法可制备性能优良且形状复杂的部件。

氮化硅具有强共价键结构，它的烧结非常困难，同时氮化硅材料即便在高温下，氮和硅的体扩散系数也很小，与此同时在1600℃以上，氮化硅就会明显分解，因此，如何实现高强度且致密氮化硅陶瓷材料的低成本制备技术是当前氮化硅烧结工艺研究的。
3、生产工艺流程
氮化硅陶瓷制品的生产方法有两种，即反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法是将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生产方法成型。然后在氮化炉内，在1150~1200℃预氮化，获得一定强度后，可在机床上进行机械加工，接着在1350~1450℃进一步氮化18~36h，直到全部变为氮化硅为止。这样制得的产品尺寸，体积稳定。热压烧结法则是将氮化硅粉与少量添加剂（如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等），在19.6MPa以上的压力和1600~1700℃条件下压热成型烧结。通常热压烧结法制得的产品比反应烧结制得的产品密度高，性能好。


【氮化硅陶瓷实拍图】
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【氮化硅陶瓷制备】
制备方法：氮化硅陶瓷的制备技术发展很快，由于氮化硅是强共价化合物，其 扩散系数、致密化所的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，这决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化。目前氮化硅陶瓷烧结工艺方法主要有：常压烧结、反应烧结 、热压烧结、气压烧结等。
1：常压烧结：常压烧结是以高纯、超细、高α相含量的氮化硅粉末与少量 助烧剂混合，通过成形、烧结等工序制备而成。由于常压烧结法很难制备高密度的纯氮化硅材料，为了获得的氮化硅材料，需要加入助烧剂与氮化硅粉体表面的SiO2反应,在高温下形成液相，活化烧结过程，通过溶解析出机制使其致密。因此，常压烧结氮化硅研究的关键在于选择合适的助烧剂。目前常用的助烧剂主要有：MgO、Y2O3、稀土元素氧化物、复合助烧剂等，这些助烧剂能控制液相粘度，提高相转变，防止固溶体形成，降低晶格氧含量并控制玻璃相组成和含量。
2：气压烧结法：近几年来,人们对气压烧结进行了大量的研究，获得了很大 的进展。气压烧结氮化硅在1～10MPa气压下，2000℃左右温度下进行。高的氮气压抑制了氮化硅的高温分解。由于采用高温烧结，在添加较少烧结助剂情况下，也足以促进氮化硅晶粒生长，而获得密度>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 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。
3：反应烧结法：是采用一般成型法，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). 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<011%).该产品一般不需研磨加工即可使用。反应烧结法适于制造形状复杂，尺寸的零件，成本也低，但氮化时间很长。
4：热压烧结法：是将氮化硅粉末和少量添加剂（如MgO、Al2O3、MgF2、 Fe2O3等） ，在 1916MPa以上的压强和1600℃以上的温度进行热压成型烧结。英国和美国的一些公司采用的热压烧结氮化硅陶瓷，其强度高达 981MPa以上。烧结时添加物和物相组成对产品性能有很大的影响。由于严格控制晶界相的组成，以及在氮化硅陶瓷烧结后进行适当的热处理，所以可以获得即使温度高达1300℃时强度（可达490MPa以上）也不会明显下降的氮化硅系陶瓷材料，而且抗蠕变性可提高三个数量级。若对 氮化硅陶瓷材料进行1400———1500℃高温预氧化处理，则在陶瓷材料表面上形成Si2N2O相，它能显著提高氮化硅 陶瓷的耐氧化性和高温强度。热压烧结法生产的氮化硅陶瓷的机械性能比反应烧结的氮化硅要，强度高、密度大。但制造成本高、烧结设备复杂，由于烧结体收缩大，使产品的尺寸精度受到一定的限制，难以制造复杂零件， 只能制造形状简单的零件制品，工件的机械加工也较困难。
5 ：其它制备方法：重烧结是将反应烧结的氮化硅烧结坯在助烧剂存在的情 况下，置于氮化硅粉末中，在高温下重烧结，可得到致密的氮化硅制品，重烧结过程中的收缩仅有6%~10%，可制备形状复杂、性能优良的部件。热等静压烧结是将氮化硅及助烧剂的混合物粉末封装到金属或玻璃包套中，抽真空后通过高压气体在高温下烧结，制得的氮化硅陶瓷可达理论密度，但工艺复杂成本较高。此外，近年来还发展了如压烧结、化学气相沉积、爆炸成形等烧结和致密化工艺均获得不错的效果。
【氮化硅陶瓷性能】
氮化硅陶瓷材料作为一种的高温工程材料，能发挥优势的是其在高温领域中的应用。它极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃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30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀；同时又是一种电绝缘材料。氮化硅与水几乎不发生作用；在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅；易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐蚀氮化硅，熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐和氨。

氮化硅材料的这些性能足以与高温合金相媲美。但作为高温结构材料，它也存在抗机械冲击强度低，容易发生脆性断裂等缺点。为此，在利用氮化硅制造复杂材料，尤其是氮化硅结合碳化硅以及用晶须和添加其它化合物进行氮化硅陶瓷增韧的研究中运用广泛。
【氮化硅陶瓷应用及用途】
应用：由于氮化硅陶瓷的性能，它已在许多工业领域获得广泛应用。如： 在机械工业中用作涡轮叶片、机械密封环、高温轴承、高速切削工具、性模具等；冶金工业中用作坩埚、燃烧嘴、铝电解槽衬里等热工设备上的部件；化学工业中用作耐蚀、耐磨零件包括球阀、泵体、燃烧器、汽化器等；电子工业中用作薄膜电容器、高温绝缘体等；航空航天领域用作雷达天线罩、发动机等；原子能工业中用作原子反应堆中的支承件和隔离件、核裂变物质的载体等。氮化硅陶瓷具有的综合性能和丰富的资源，是一种理想的高温结构材料，具有广阔的应用领域和市场，都在竞相研究和开发。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完善，氮化硅陶瓷材料作为性能优良的工程材料将得到更广泛的应用。

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