氮化硅陶瓷課件

氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷緒言地球上氮和硅的含量非常高空氣中氮?dú)夂考s78.6％地殼中硅是繼氧后含量第二的元素（26.09％）自然界中沒(méi)有氮硅化合物氮化硅為人工合成的新材料（1857年）19世紀(jì)80年代，人們已經(jīng)制備出氮化硅塊體材料緒言地球上氮和硅的含量非常高19世紀(jì)80年代，人們已經(jīng)制備出緒言二戰(zhàn)之后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽烁叩囊?，迫使人們?nèi)で蟊饶蜔岷辖鸶艹惺芨邷?、比普通陶瓷更能抵御化學(xué)腐蝕的新材料。氮化硅陶瓷性能優(yōu)異，激發(fā)了人們對(duì)它的熱情和興趣。緒言二戰(zhàn)之后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)等高技緒言高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高硬度耐磨蝕性好抗氧化性高良好的耐熱沖擊和機(jī)械沖擊性能在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，氮化硅陶瓷是綜合性能最好、最有應(yīng)用潛力和最有希望替代鎳基合金并在高溫領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的新材料。緒言高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度氮化硅結(jié)構(gòu)氮化硅與氮和硅通過(guò)共價(jià)鍵連接，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般認(rèn)為主要有-Si3N4，空間群為P63/m，六方晶格常數(shù)a=0.7608nm，c=0.2910nm,易形成長(zhǎng)柱狀結(jié)構(gòu)-Si3N4，空間群為P31c,六方晶胞常數(shù)a=0.7748~0.7765nm，c=0.5617~0.5622nm，易形成等軸狀顆粒結(jié)構(gòu)氮化硅結(jié)構(gòu)氮化硅與氮和硅通過(guò)共價(jià)鍵連接，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般認(rèn)氮化硅結(jié)構(gòu)1400~1600℃加熱-Si3N4會(huì)轉(zhuǎn)變成-Si3N4。但不能說(shuō)相是低溫晶型，是高溫晶型。低溫合成時(shí)兩相可同時(shí)存在兩種結(jié)構(gòu)除有對(duì)稱性高低差別外，并沒(méi)有高低溫之分！只不過(guò)相對(duì)稱性低，容易形成，相在熱力學(xué)上更穩(wěn)定！氮化硅結(jié)構(gòu)1400~1600℃加熱-Si3N4會(huì)轉(zhuǎn)變成-氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)：屬高溫難熔化合物無(wú)熔點(diǎn)，常壓下1900℃左右分解，

抗高溫蠕變能力強(qiáng)，不含粘結(jié)劑的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅負(fù)荷軟化點(diǎn)可高達(dá)1800℃多。熱膨脹系數(shù)小，（2.8~3.2）×10－6/℃導(dǎo)熱性好－（2～155W/(mK)）－良好的抗熱震性能（從室溫～1000℃熱沖擊不會(huì)開(kāi)裂）氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)：屬高溫難熔化合物氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)電絕緣性－（電阻率：1015～1016

·cm）介電損耗小，抗擊穿電壓高（受合成方式、游離Si、燒結(jié)助劑引入的雜質(zhì)等影響）化學(xué)穩(wěn)定性：硅氮共價(jià)鍵結(jié)合，鍵能很高，生成焓很高－穩(wěn)定的化合物（1）抗氧化性800℃以下干燥氣氛中不與氧反應(yīng)氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)電絕緣性－（電阻率：1015～1016·氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)在試樣表面生成氧化硅膜，隨溫度升高氧化硅膜逐漸變得穩(wěn)定，到1000℃左右形成致密氧化硅保護(hù)層，從而防止氮化硅繼續(xù)氧化。直到1400℃都基本穩(wěn)定。800℃以上開(kāi)始反應(yīng)氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)在試樣表面生成氧化硅膜，隨溫度升高氧化氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)潮濕空氣中，氮化硅受熱200℃以上，即可發(fā)生表面氧化作用此反應(yīng)生成的氧化硅是無(wú)定形的，不能形成致密保護(hù)膜，這個(gè)反應(yīng)會(huì)不斷緩慢進(jìn)行。另外氧化作用與氮化硅陶瓷的氣孔和由添加劑形成的晶界相有很大關(guān)系，堿金屬雜質(zhì)會(huì)加快氧化反應(yīng)。不均勻部分及雜質(zhì)會(huì)使局部氧化加快，形成凹坑，大大降低陶瓷強(qiáng)度。氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)潮濕空氣中，氮化硅受熱200℃以上，即可發(fā)氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)（2）抗熔融金屬腐蝕性氮化硅對(duì)單質(zhì)金屬熔液（Al，Zn，Cd，Au，Ag，Sn，Pb，Bi，Ga，Ge，In）不浸潤(rùn)，不受腐蝕。在真空或惰性氣體中不受Cu腐蝕，有氧時(shí)氧化銅會(huì)與氮化硅反應(yīng)。Mg、Si能將氮化硅潤(rùn)濕并微量侵蝕過(guò)渡元素熔液能強(qiáng)烈潤(rùn)濕氮化硅并與Si反應(yīng)生成硅化物，迅速分解氮化硅放出氮?dú)獾栉锢砘瘜W(xué)性質(zhì)（2）抗熔融金屬腐蝕性氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)于合金熔液氮化硅對(duì)黃銅、硬鋁、鎳銀等很穩(wěn)定，對(duì)鑄鐵、中碳鋼等也有較好的抗蝕性，但不耐鎳鉻合金、不銹鋼等腐蝕（3）抗酸堿鹽腐蝕性一般的酸堿對(duì)氮化硅不起作用（HCl，濃硝酸、王水、磷酸以及溫度小于80℃的85％以下的硫酸、25％以下的NaOH溶液）氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)于合金熔液氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)氫氟酸對(duì)氮化硅腐蝕明顯熔融NaOH等熔融堿和熔融鹽對(duì)氮化硅腐蝕明顯晶界性質(zhì)對(duì)抗腐蝕性影響很大對(duì)強(qiáng)輻射也是穩(wěn)定的。氮化硅物理化學(xué)性質(zhì)氫氟酸對(duì)氮化硅腐蝕明顯氮化硅的力學(xué)性能硬度

-Si3N4－HV（15～20Gpa）-Si3N4－HV（32～34Gpa）（壓痕5~10微米）莫氏硬度僅次于碳化硅、碳化硼、立方氮化硼和金剛石。氮化硅的力學(xué)性能硬度氮化硅的力學(xué)性能摩擦系數(shù)與自潤(rùn)滑性摩擦系數(shù)小，在高溫高速條件下，升高幅度也較小，因此能保證機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。氮化硅陶瓷具有自潤(rùn)滑性－－在壓力作用下、摩擦表面微量分解形成薄薄的氣膜，從而使摩擦面之間的滑動(dòng)阻力減小，磨損量也特別小。氮化硅的力學(xué)性能摩擦系數(shù)與自潤(rùn)滑性氮化硅的力學(xué)性能機(jī)械強(qiáng)度隨制備工藝和組織結(jié)構(gòu)的不同而有較大幅度的變動(dòng)。抗折強(qiáng)度在100～1200Mpa范圍波動(dòng)。斷裂韌性較高（3～9Mpa·m1/2）四方氧化鋯可達(dá)15，鑄鐵、硬質(zhì)合金（～30），比氧化鋁、碳化硅高。高溫強(qiáng)度取決于晶界相。氮化硅的力學(xué)性能機(jī)械強(qiáng)度氮化硅的力學(xué)性能可機(jī)械加工性未燒結(jié)的高壓力等靜壓坯（如壓力600Mpa）可直接機(jī)械加工半燒結(jié)的素坯，可以用普通車床加工，再完全燒結(jié)。已燒結(jié)的陶瓷可以用金剛石砂輪切片，也可以精密研磨，表面粗糙度可達(dá)0.025微米（鏡狀光澤面）；0.006微米（鏡面）氮化硅的力學(xué)性能可機(jī)械加工性氮化硅陶瓷的制造方法原料粉的生成方法1）硅粉直接氮化溫度低容易生成高相產(chǎn)物，溫度高則生成高相產(chǎn)物。有鐵可促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。為放熱反應(yīng)，應(yīng)注意控制溫度，以免超硅熔融阻礙反應(yīng)進(jìn)行。氮化硅陶瓷的制造方法原料粉的生成方法1）硅粉直接氮化溫度低容氮化硅陶瓷的制造方法2）氧化硅還原氮化生產(chǎn)中碳過(guò)量和氧化硅過(guò)量都會(huì)引入雜質(zhì)3）氣相合成可制得高純超細(xì)氮化硅粉氮化硅陶瓷的制造方法2）氧化硅還原氮化生產(chǎn)中碳過(guò)量和氧化硅過(guò)氮化硅陶瓷的制造方法4）SHS（自蔓延反應(yīng)合成）自蔓延氮化硅粉通常含量非常高，提高相含量的辦法是硅粉中加入加入相粉作為晶種，降低燃燒溫度（加入稀釋劑）等氮化硅陶瓷的制造方法4）SHS（自蔓延反應(yīng)合成）自蔓延氮化硅氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅粉體成型和生坯處理氮化硅粉和單質(zhì)硅粉都屬于瘠性粉體，在成型前需加成型助劑，使其利于粘合、塑化或懸浮。所有陶瓷成型方法都可用于氮化硅的成型。成型后的生坯中往往含有不同含量的成型劑等有機(jī)物，一般需脫膠（排蠟）工序。脫蠟過(guò)程要特別注意升溫速率，保證有機(jī)物緩慢氣（液）化排出，防止生坯膨脹開(kāi)裂！氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅粉體成型和生坯處理氮化硅粉和單質(zhì)硅氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅的燒結(jié)氮化硅陶瓷作為高性能材料，必須保證制品的可靠性，因此其性能必須盡可能穩(wěn)定！1）成型和燒結(jié)過(guò)程中要盡量防止熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力集中。2）減少陶瓷體內(nèi)缺陷，防止不同步燒結(jié)。3）燒成的陶瓷晶粒要細(xì)，盡量減少晶界相。體積密度盡量接近理論密度，降低氣孔率。氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅的燒結(jié)氮化硅陶瓷作為高性能材料，必氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅是共價(jià)鍵化合物，很難燒結(jié)致密！1）反應(yīng)燒結(jié)或反應(yīng)結(jié)合氮化硅是工業(yè)化生產(chǎn)中最早使用的制造氮化硅陶瓷的方法硅粉或硅粉和氮化硅粉混合后成型氮?dú)庵?200℃預(yù)氮化機(jī)械加工成所需零件氮?dú)夥罩?400～1500℃最終氮化燒結(jié)氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅是共價(jià)鍵化合物，很難燒結(jié)致密！是工氮化硅陶瓷的制造方法Si粉成型體一般有30％～50％的孔隙度，Si粉氮化后有22％的體積增量，因此生坯燒成后形狀和尺寸基本不變。通過(guò)預(yù)氮化，機(jī)加工，燒成后尺寸基本不變的工藝特點(diǎn)，可以用來(lái)制造尺寸精確、復(fù)雜形狀的部件，這是區(qū)別于氣體陶瓷燒結(jié)的顯著特點(diǎn)。氮化硅陶瓷的制造方法Si粉成型體一般有30％～50％的孔隙度氮化硅陶瓷的制造方法反應(yīng)燒結(jié)要控制反應(yīng)速度，所以氮化周期比較長(zhǎng)（一般要4～6天）燒結(jié)坯一般還有15％～30％的孔隙率和1～5％的殘留硅，因此強(qiáng)度一般較低！反應(yīng)燒結(jié)需氮?dú)鉂B入坯體內(nèi)部，因此尺寸太厚的產(chǎn)品（超過(guò)10毫米）難以氮化完全，性能差。優(yōu)點(diǎn)：高溫強(qiáng)度下降很少，尺寸精度高。設(shè)備投資少，制品加工比較低廉，適合大批量生產(chǎn)。氮化硅陶瓷的制造方法反應(yīng)燒結(jié)要控制反應(yīng)速度，所以氮化周期比較氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)(Hot-pressSintering)高溫下，外加壓力強(qiáng)制物料移動(dòng)實(shí)現(xiàn)致密化。純氮化硅粉即使熱壓也無(wú)法致密化?。尤霟Y(jié)助劑！燒結(jié)助劑同氮化硅中微量雜質(zhì)及氮化硅本身反應(yīng)生產(chǎn)玻璃相晶界，高溫下玻璃相融化，在外加壓力的作用下共同促進(jìn)坯體致密化。MgO，Y2O3，和Al2O3等，氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)(Hot-pressSinte氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷，致密度高強(qiáng)度也高（800～1200Mpa）。燒結(jié)中相溶解在玻璃相中然后析出熱穩(wěn)定性更高的相，在壓力的作用下相生長(zhǎng)成長(zhǎng)柱狀交織結(jié)構(gòu)，因此燒成體的斷裂韌性也較高。氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷，致密度高強(qiáng)度也高（8氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)不要求預(yù)先成型，粉體不用加成型劑。熱壓燒結(jié)最關(guān)鍵的是熱壓模具（1700～1800℃燒結(jié)）石墨模具強(qiáng)度低，為保證熱壓時(shí)的壓力，陰模的厚度隨熱壓樣品的尺寸增大要很厚！大尺寸高強(qiáng)石墨價(jià)格高昂，而且不能保證使用過(guò)程中不發(fā)生斷裂！氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(jié)不要求預(yù)先成型，粉體不用加成型劑氮化硅陶瓷的制造方法大尺寸熱壓模具采用碳纖維復(fù)合材料性能改善不少——壁厚降低，安全系數(shù)大大提高碳纖維抗拉強(qiáng)度：2000～3000Mpa高強(qiáng)石墨抗折強(qiáng)度：30～50Mpa，抗壓強(qiáng)度<80Mpa熱壓壓力一般20～30Mpa熱壓燒結(jié)效率低，產(chǎn)品形狀單一，成本較高。氮化硅陶瓷的制造方法大尺寸熱壓模具采用碳纖維復(fù)合材料性能改善氮化硅陶瓷的制造方法常壓燒結(jié)(PressurelessSintering)與熱壓燒結(jié)類似，要加入燒結(jié)助劑（加入的量比熱壓要高）原料粉必須高含量。燒結(jié)機(jī)理也是液相燒結(jié)，同時(shí)溶解，淀析過(guò)程同樣存在。由于高溫氮化硅容易分解，燒結(jié)時(shí)必需使用埋粉（氮化硅＋BN＋MgO）氮化硅陶瓷的制造方法常壓燒結(jié)(PressurelessSi氮化硅陶瓷的制造方法將反應(yīng)燒結(jié)和常壓燒結(jié)結(jié)合起來(lái)反應(yīng)燒結(jié)前將燒結(jié)助劑混入原料粉中，將反應(yīng)燒結(jié)坯在高溫下重新燒結(jié)，得到致密氮化硅制品重?zé)Y(jié)必須在高的氮?dú)鈮毫ο拢◣资綆装俅髿鈮海┲破窂?qiáng)度可以達(dá)到熱壓的效果。重?zé)Y(jié)（Resintering或Post-Sintering氮化硅陶瓷的制造方法將反應(yīng)燒結(jié)和常壓燒結(jié)結(jié)合起來(lái)重?zé)Y(jié)（Re氮化硅陶瓷的制造方法氣壓燒結(jié)（Gas-PressureSintering)與重?zé)Y(jié)類似，只是不需要前面的反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程。燒結(jié)溫度最高可達(dá)2000℃。氣壓燒結(jié)可以用常壓燒結(jié)50％或更少的燒結(jié)助劑實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，產(chǎn)品性能較好。致密化主要貢獻(xiàn)來(lái)自較高的溫度，高的氮?dú)鈮毫χ饕菫榱艘种频璧姆纸?。氮化硅陶瓷的制造方法氣壓燒結(jié)（Gas-PressureSi氮化硅陶瓷的制造方法熱等靜壓燒結(jié)（Hot-Iso-pressureSintering）粉體或預(yù)壓好的坯體裝入包套（金屬或玻璃）爐內(nèi)通入高壓氣體（100～200Mpa）高溫下玻璃融化成黏性體或金屬具有很好的塑性變形能力，傳遞壓力，使產(chǎn)品燒結(jié)致密。冷卻后清除包套獲得燒結(jié)產(chǎn)品。熱等靜壓燒結(jié)可以獲得完全致密的氮化硅陶瓷，可以少用或不用燒結(jié)助劑，產(chǎn)品各向同性。熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜（要包套）、生產(chǎn)成本高。氮化硅陶瓷的制造方法熱等靜壓燒結(jié)（Hot-Iso-press氮化硅陶瓷的制造方法其他燒結(jié)方法（等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)、電火花燒結(jié)等等，沒(méi)有進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域）氮化硅陶瓷的制造方法其他燒結(jié)方法（等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)、電火氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷導(dǎo)輪氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷導(dǎo)輪氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用硬度高，耐磨，耐強(qiáng)酸腐蝕，高溫性能無(wú)明顯降低；

抗熱震性優(yōu)良，極高的抗氧化性，工作溫度可達(dá)1200度；

有自潤(rùn)滑性能，使用壽命較傳統(tǒng)鋼軸承高。

高溫設(shè)備中的傳遞裝置：高溫達(dá)到1200度時(shí)，強(qiáng)度，硬度幾乎不變；高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域：高速電機(jī)主軸軸承，機(jī)床主軸軸承，牙鉆軸承，計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器軸承，儀器儀表用軸承；

航空，航天領(lǐng)域：低的線膨脹系數(shù)，在溫度變化的環(huán)境中穩(wěn)定可靠；

高真空領(lǐng)域，強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境。氮化硅陶瓷的應(yīng)用硬度高，耐磨，耐強(qiáng)酸腐蝕，高溫性能無(wú)明顯降低氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷電熱塞氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷電熱塞氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷課件氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷