陶瓷材料簡(jiǎn)介及多孔氮化硅陶瓷的制備及應(yīng)用

陶瓷材料簡(jiǎn)介及多孔氮化硅陶瓷的制備及應(yīng)用第1頁(yè)/共32頁(yè)陶瓷材料簡(jiǎn)介第2頁(yè)/共32頁(yè)

“陶瓷”是在人類生活中和生產(chǎn)中不可缺少的一種材料。它在人類生產(chǎn)的歷史上已有數(shù)千年的歷史。陶瓷材料指所有無(wú)機(jī)非金屬材料，是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的多晶固體材料。第3頁(yè)/共32頁(yè)按原料來(lái)源分類：普通陶瓷、特種陶瓷普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物為主要原料，如粘土、石英、長(zhǎng)石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。（一）分類特種陶瓷是使用非硅酸鹽、非氧化物為主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。第4頁(yè)/共32頁(yè)按用途分類日用陶瓷工業(yè)陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷普通日用瓷器骨灰瓷器玲瓏日用瓷器日用精陶器氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷

電容器陶瓷壓電陶瓷磁性材料半導(dǎo)體陶瓷

第5頁(yè)/共32頁(yè)高強(qiáng)度陶瓷高溫陶瓷壓電陶瓷磁性陶瓷半導(dǎo)體陶瓷生物陶瓷按性能可將陶瓷分類第6頁(yè)/共32頁(yè)坯料制備通過(guò)機(jī)械或物理或化學(xué)方法制備粉料，在制備坯料時(shí)，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)。（二）陶瓷制品的生產(chǎn)工藝

陶瓷制品的生產(chǎn)都要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段：坯料制備、成型、燒結(jié)第7頁(yè)/共32頁(yè)成型將坯料用一定工具或模具制成一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的制品坯型（亦稱生坯）。燒結(jié)生坯經(jīng)初步干燥后，進(jìn)行涂釉燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)時(shí)，陶瓷內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化及相變，如體積減小，密度增加，強(qiáng)度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達(dá)到所要求的物理性能和力學(xué)性能。第8頁(yè)/共32頁(yè)多孔氮化硅陶瓷制備及應(yīng)用第9頁(yè)/共32頁(yè)材料科學(xué)與工程四面體的四個(gè)組元

使用效能

性能

合成與制備工藝組成與結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共32頁(yè)晶體結(jié)構(gòu)c-Si3N4Cubicspinelstructure(Highpressure)共同點(diǎn)：六方晶系[SiN4]4-

四面體

不同點(diǎn)：α

顆粒狀兩層不同且有形變的非六方環(huán)層，應(yīng)變大，自由能高

β

針狀或長(zhǎng)柱狀完全對(duì)稱六個(gè)[SiN4]4-組成的六方環(huán)層，熱力學(xué)穩(wěn)定相α-Si3N4

β-Si3N4第11頁(yè)/共32頁(yè)性能及應(yīng)用氮化硅多孔陶瓷高技術(shù)新型陶瓷材料電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械性能

氧氣氛1400℃，中性或者還原氣氛1800℃孔徑較?。?0~150μm）、較高氣孔率

吸音材料—高隔音防火要求高的地鐵、電視發(fā)射中心耐熱、耐高溫蠕變、抗熱震性好

過(guò)濾及分離—高溫流體、熔融金屬等領(lǐng)域機(jī)械性能

隔膜材料—固體氧化物隔膜介電特性

低介電常數(shù)、介電損耗—天線罩、天線窗生物相容性

生物工程材料—醫(yī)學(xué)、生物第12頁(yè)/共32頁(yè)研究進(jìn)展1992Saito

熱等靜壓特殊工藝開(kāi)氣孔25%1997

Kawai

首次高純Si粉氮化棒狀晶粒和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)相對(duì)密度為61.7%、室溫抗彎強(qiáng)度455MPa；

Synergy陶瓷實(shí)驗(yàn)室和名古屋國(guó)立工業(yè)研究院耐應(yīng)變、各向異性氣孔1998

張勇

無(wú)包套熱壓等靜壓處理致密度高2001-2003Yang（楊建鋒）

局部熱壓工藝、無(wú)壓燒結(jié)氣孔率高、性能優(yōu)異2004

張?chǎng)?/p>

凝膠注模成型工藝納米復(fù)合高強(qiáng)度

Díaz淀粉為造孔劑性能優(yōu)異2007

陜紹云

碳熱還原法氣孔率60%第13頁(yè)/共32頁(yè)制備流程干燥混料球磨過(guò)篩燒結(jié)素坯成型研削加工產(chǎn)品第14頁(yè)/共32頁(yè)原始粉末第15頁(yè)/共32頁(yè)混合第16頁(yè)/共32頁(yè)96小時(shí)混合第17頁(yè)/共32頁(yè)干燥第18頁(yè)/共32頁(yè)過(guò)篩第19頁(yè)/共32頁(yè)模壓成型第20頁(yè)/共32頁(yè)冷等靜壓第21頁(yè)/共32頁(yè)燒結(jié)第22頁(yè)/共32頁(yè)磨削加工第23頁(yè)/共32頁(yè)素坯成型方法成型方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍模壓成型1.模具簡(jiǎn)單2.尺寸精度高3.操作方便，生產(chǎn)率高1.孔分布不均勻2.制品尺寸受限制3.制品形狀受限制尺寸不大的管狀、片狀、塊狀擠壓成型1.能制取細(xì)而長(zhǎng)的管材2.氣孔沿長(zhǎng)度方向分布均勻3.生產(chǎn)率高，可連續(xù)生產(chǎn)1.需加入較多增塑劑2.泥料制備麻煩3.對(duì)原料的粒度要求高細(xì)而長(zhǎng)的管材、棒材、某些異形截面管材軋制成型1.能制取長(zhǎng)而細(xì)帶材及箔材2.生產(chǎn)率高，可連續(xù)生產(chǎn)1.制品形狀簡(jiǎn)單2.粗粉末難加工各種厚度的帶材，多層過(guò)濾器第24頁(yè)/共32頁(yè)素坯成型方法成型方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍等靜壓成型1.氣孔分布均勻2.適用于大尺寸制品1.尺寸公差大2.生產(chǎn)率低大尺寸管材及異形制品注射成型1.可制形狀復(fù)雜的制品2.氣孔沿長(zhǎng)度方向分布均勻1.需加入較多的塑化劑2.尺寸大小受限制形狀復(fù)雜小件制品注漿成型1.能制形狀復(fù)雜的制品2.設(shè)備簡(jiǎn)單1.生產(chǎn)率低2.原料受限復(fù)雜形狀制品，多層過(guò)濾器第25頁(yè)/共32頁(yè)燒結(jié)方法?

部分燒結(jié)法（PartialSintering）?

部分熱壓法（PartialHot-Pressing）?

受限燒結(jié)法（RestrainedSintering）?

碳熱還原法（CarbothermalNitridationofSilica）?

燒結(jié)理論：反應(yīng)燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、碳熱還原法第26頁(yè)/共32頁(yè)反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)方程式

3Si+2N2=Si3N4第一階段

1150~1200℃預(yù)氮化素坯車(chē)、刨、鉆、銑等加工第二階段

1350~1450℃進(jìn)一步氮化全部生成氮化硅特點(diǎn)

α相和β相；22%的體積膨脹；氣孔率13~20%；產(chǎn)品尺寸和素坯尺寸相同、精確制造形狀復(fù)雜產(chǎn)品；不需要昂貴的機(jī)械加工；同時(shí)無(wú)添加劑，因此高溫性能不下降。但周期較長(zhǎng)，成本較高。

第27頁(yè)/共32頁(yè)液相燒結(jié)難題共價(jià)鍵化合物原子自擴(kuò)散系數(shù)太??；大于1900℃分解

解決方法液相燒結(jié)添加劑

MgO、Al2O3、Y2O3、La2O3等，原料顆粒表面SiO2形成硅酸鹽液相，其能潤(rùn)濕和溶解氮化硅原理

顆粒重組；溶解-析出；固相燒結(jié)特點(diǎn)

氣孔率70%以下；制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；成本低。但玻璃相較多，影響高溫強(qiáng)度，燒成收縮較大，易于開(kāi)裂變形。

第28頁(yè)/共32頁(yè)碳熱還原反應(yīng)方程式

3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO特點(diǎn)

原料便宜，可大大降低制備成本；反應(yīng)后有約44%的失重率，而且收縮率很小，可得到65~71%的高氣孔率；經(jīng)工藝優(yōu)化后，可得到具有高長(zhǎng)徑比-Si3N4晶粒的組成、力學(xué)性能優(yōu)異的多孔氮化硅陶瓷；此方法存在的問(wèn)題是對(duì)燒結(jié)設(shè)備的要求較高，燒結(jié)裝置稍微復(fù)雜，燒結(jié)時(shí)間稍長(zhǎng)。β第29頁(yè)/共32頁(yè)

氮化硅多孔陶瓷，也稱多孔氮化硅陶瓷，是近年來(lái)在研究氮化硅陶瓷和多孔陶瓷基礎(chǔ)上逐漸形成的一種高技術(shù)新型陶瓷材料，因其充分發(fā)揮氮化硅和多孔陶瓷兩者的優(yōu)異性能而十分引人注目。

多孔氮化硅陶瓷的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能十分優(yōu)良，在