氮化硅陶瓷材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展

氮化硅陶瓷材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展摘要氮化硅陶瓷是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有遠大的發(fā)展前景。這種材料強度和硬度都很高，抗氧化性、抗蠕變性好。耐腐蝕。本文旨在結(jié)合現(xiàn)有的工藝條件，分析生產(chǎn)的產(chǎn)品的特點。及對現(xiàn)代科技對材料的影響，發(fā)現(xiàn)氮化硅材料的制備工藝現(xiàn)狀和日后的發(fā)展關鍵詞：氮化硅陶瓷，制備工藝，強度，硬度，氮化硅晶體結(jié)構(gòu)正文現(xiàn)代科技的發(fā)展，對材料的要求越來越高，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)適應不了現(xiàn)代的要求，開發(fā)新的材料已經(jīng)是刻不容緩，這么多年，許多研究所都在不懈努力的研制新的材料，在這個進程中，氮化硅陶瓷材料就被研發(fā)出來了，氮化硅陶瓷材料在上世紀世紀50年代開始研發(fā)的，在經(jīng)過了這些年的發(fā)展，工藝的完善，制備的氮化硅陶瓷更加優(yōu)美，由于氮化硅陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐磨損與耐腐蝕這些特性，廣泛的應用于發(fā)動機的耐高溫材料、化工中的耐腐蝕材料、核反應堆的支撐體等。為了研究出更好的氮化硅材料，人們對氮化硅材料的研究仍然在繼續(xù)，發(fā)現(xiàn)了更多的成型工藝和燒結(jié)工藝，使得氮化硅材料的生產(chǎn)更加高效，生產(chǎn)的氮化硅陶瓷材料性能越來越好。耐高溫的溫度上限越來越高。1、氮化硅材料晶體結(jié)構(gòu)性能Si3N4是共價鍵化合物，以[Si3N4]四面體為基本單元，由[Si3N4]四面體共用頂角構(gòu)成的三維空間網(wǎng)絡。由于氮硅結(jié)合的非常牢固（共價鍵結(jié)合），這使得氮化硅材料具有高強度，高硬度，耐腐蝕性。在高溫，高速，強腐蝕條件下具有特殊的用途?！?】Si3N4是由α-Si3N4和β-Si3N4組成，在結(jié)構(gòu)上兩者不盡相同，β相是由α相轉(zhuǎn)變得到的，β相更趨于穩(wěn)定。【2】圖1.1氮化硅晶體結(jié)構(gòu)2、Si3N4陶瓷的制備工藝Si3N4陶瓷制備工藝發(fā)展迅速，目前Si3N4陶瓷的燒結(jié)工藝有：反應燒結(jié)、無壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、和熱等靜壓燒結(jié)。各種制備工藝會產(chǎn)生不同的微觀結(jié)構(gòu)，進而使得性能產(chǎn)生差異。在現(xiàn)代技術的發(fā)展、研究的深入，又開發(fā)出新的制備工藝-即微波燒結(jié)工藝。（1）反應燒結(jié)反應燒結(jié)氮化硅陶瓷是將硅粉做成所需形狀的胚料，常溫下通入氮氣進行預氮化處理，使胚料獲得一定的強度，后進行機械加工成所需的零件形狀，最后進行氮化燒結(jié)直到胚體中硅粉完全氮化。這個工藝成本低，燒結(jié)后就能立刻使用，操作簡單。實用性強，但是燒結(jié)產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)差，降低了產(chǎn)品的強度。氣孔率較高。【3】（2）熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷是在氮化硅粉末中加入適量的助劑，在較高溫度和壓強下進行燒結(jié)的方法。在燒結(jié)過程中，邊加壓邊加熱，使得燒結(jié)和成型同時完成。因為氮化硅是強共價鍵，所以僅有壓力作用是不行的，所以還必須加入燒結(jié)助劑。在氮化硅陶瓷燒結(jié)后進行熱處理，能夠獲得在高溫下強度不會發(fā)生明顯變化的Si3N4系列材料。在高溫下進行預氧化處理，使一部分氧氣與硅反應生成SiO2附著在表面，提高Si3N4陶瓷的耐氧化性。這燒結(jié)方法能生產(chǎn)強度高，密度大的產(chǎn)品，但生產(chǎn)效率低，成本高，只能制造形狀簡單的產(chǎn)品。且后續(xù)的機械加工也很困難。（3）無壓燒結(jié)【4】無壓燒結(jié)氮化硅陶瓷要求氮化硅粉末極細化，α相含量高有利于燒結(jié)過程的進行，獲得鑲嵌結(jié)構(gòu)，增進胚體的強度。通過加入有效的燒結(jié)助劑，提高N2氣氛壓力可以抑制氮化硅的熱分解，此法與氣壓燒結(jié)通入氮氣原理相同，再通過成型，燒結(jié)制備而成?？刂谱”貢r間。使用Si3N4+BN+MgO（50%：40%：10%）埋粉，這能有效的抑制失重，而且MgO與SiO2反應能生成液相，。溶解析出使得氮化硅更加致密?！?.6】這個方法制備相對簡單，低成本就可以獲得氮化硅陶瓷，但燒結(jié)后樣品的收縮率較大，會影響樣品的品質(zhì)。影響樣品的正常使用。但是其借助了陶瓷注模成型后，能夠制得形狀復雜的高精度胚體，為一些需要精度高的行業(yè)帶來了希望，日后的研究克服收縮率就能正式使用了。（4）氣壓燒結(jié)【7】氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷是將氮化硅原材料在2000℃下進行燒結(jié)并且通入較高壓強的氮氣，高氣壓的氮氣下能夠抑制氮化硅的分解。使得氮化硅的分解溫度提高到。添加少量燒結(jié)助劑也能促進晶粒生長。這個方法能制取接近要求尺寸的產(chǎn)品，成本低，不用怎么加工就能投入使用。（5）熱等靜壓燒結(jié)【8】熱等靜壓燒結(jié)氮化硅陶瓷是將氮化硅粉末壓制成胚體置于密封容器中，加入氮氣，在高溫高壓下燒結(jié)而成的，可生產(chǎn)致密度、強度高，結(jié)構(gòu)均勻的氮化硅材料。并且生產(chǎn)周期短，能耗低，樣品性能大幅度提高。有可能在工業(yè)上廣泛應用。（6）微波燒結(jié)【9】微波燒結(jié)在上世紀80年代開始應用于陶瓷制備，許多氧化物陶瓷不能在傳統(tǒng)燒結(jié)工藝上制備，但是結(jié)合了微波燒結(jié)后成功制備。由于有獨特的燒結(jié)機理?？梢约磿r發(fā)熱或瞬間停止。提高了效率，這個方法也提高了致密化速度。得到常規(guī)方法所不能得到的陶瓷產(chǎn)品。由于設備價格昂貴，限制了大規(guī)模的生產(chǎn)。無法應用到工業(yè)化生產(chǎn)。3、Si3N4陶瓷的組織性能氮化硅在常溫下于1870℃分解，氮化硅的熱膨脹系數(shù)低。使得氮化硅陶瓷材料在工業(yè)生產(chǎn)中不會發(fā)生明顯的變形。氮化硅粉體顏色是灰色。導熱系數(shù)大。氮化硅不溶于水。化學穩(wěn)定性好，除能與氫氟酸和濃氫氧化鈉反應外，不與其他酸和堿反應。不會輕易腐蝕，具有耐腐蝕性。一般來說，氮化硅不與氣體發(fā)生反應，所有硅化物中都有一個特性，那就是Si與氧反應能生成SiO2保護膜，阻礙氧化。這就使得氮化硅具有很強的抗氧化性。氮化硅的硬度高，僅次于金剛石等超硬材料。能夠制成精密的刀具【10】，在車床上有著很大的運用前景。還能防止腐蝕?！?1】4、Si3N4陶瓷的應用Si3N4陶瓷的性能非常優(yōu)異。在許多條件下都能勝任，皆是因為其強度、硬度、抗氧化性能、抗腐蝕性優(yōu)異，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，驟熱驟冷時不會破碎。因此被廣泛的應用于化工、航天航空，機械工程、冶金工業(yè)、汽車等領域【12】。4.1化工領域氮化硅陶瓷具有良好的耐磨性和穩(wěn)定的化學性能。它經(jīng)常用于制造過濾器、熱交換器部件，具有很強的耐腐蝕性，一般不發(fā)生反應，所以能夠作為大多數(shù)物品的容器，這和冶金行業(yè)的應用差不多。4.2航空航天領域由于航空航天設備返回地球易與大氣層經(jīng)常產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生高溫。要求表面防熱材料耐高溫，絕熱性好，氮化硅陶瓷材料正好能夠滿足這些要求。且氮化硅陶瓷在飛機發(fā)動機也有應用。飛機減輕重量能減少油耗，降低成本，陶瓷發(fā)動機能有效的解決這個問題【13】。替代傳統(tǒng)耐高溫材料已經(jīng)刻不容緩了。氮化硅陶瓷材料在現(xiàn)代國防科技的應用有廣泛前景。增強了我國的國防和軍事能力。美國通過氮化硅陶瓷研制出天線罩，能夠抗腐蝕和防潮。【14】4.3機械工程領域材料的耐腐蝕性越強，在閥門的應用越有前景，閥門要求最高的石油工業(yè)，在石油，天然氣，水和二氧化碳等影響下，腐蝕性很強，而氮化硅陶瓷的防腐蝕性能夠輕易克服。利用氮化硅的重量輕和硬度大?？梢灾圃鞚L動軸承，產(chǎn)生的熱量少，在較高的溫度和腐蝕性氣體或液體中工作很長時間也沒事。燃氣輪機的葉片要求葉片很薄，形狀復雜，又要在高溫條件下長時間工作，這對很多性能都有很高的要求，在尺寸精度上也有嚴格要求。正好是氮化硅陶瓷的不二之選。4.4冶金工業(yè)領域由于氮化硅在高溫下抗氧化性能好，且能生成SiO2阻礙繼續(xù)氧化，在冶金工業(yè)有巨大的發(fā)展空間。不斷的被各國冶金企業(yè)廣泛的利用。氮化硅陶瓷的耐熱性好，化學性能穩(wěn)定。這主要用于鑄造反應器皿，試驗用的坩堝，蒸發(fā)皿等。在冶煉生產(chǎn)線，主要用于測溫熱電偶套管。保證測量的準確性?！?5】4.5汽車領域氮化硅陶瓷材料在發(fā)動機上的應用，取得了巨大的成果，，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時磨損率增加，這要求制造氣缸、活塞的材料能耐高溫耐磨損。這時發(fā)動機的研制者們將目光投向了氮化硅陶瓷，并取得了成功，還因此降低汽車重量來減少油耗。5氮化硅陶瓷的展望氮化硅陶瓷是一種高溫抗腐蝕材料，能夠在高溫腐蝕領域很好的發(fā)揮其特性，但是，它的高溫強度，高溫蠕變、斷裂韌性等性能還很少有人涉足研究，在現(xiàn)有的制備工藝中，仍然有許多缺點，無法真正的大范圍的工業(yè)生產(chǎn)，而影響氮化硅全面應用的主要因素還是孔隙率較高，致密度不高，如果改善這個因素，從而使得氮化硅陶瓷更加的優(yōu)良，適用的范圍肯定更加廣泛。這要求研究者繼續(xù)深入研究，爭取早日克