材料制備技術(shù)小論文

摘要Si3N4陶瓷作為結(jié)構(gòu)陶瓷，具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、耐高溫性能以及良好的抗熱震性能。另一方面，Si3N4陶瓷也具有功能陶瓷的屬性，優(yōu)良的介電性等。無論是作為結(jié)構(gòu)陶瓷還是功能陶瓷，都希望Si3N4陶瓷具有更加優(yōu)異的性能和適合的價(jià)格。本文從Si3N4陶瓷的原料制備，成型工藝，燒結(jié)過程，總結(jié)高性能Si3N4陶瓷的工藝過程。關(guān)鍵詞：Si3N4陶瓷；結(jié)構(gòu)陶瓷；功能陶瓷；原料制備；成型工藝；燒結(jié)過程AbstractSi3N4ceramicshasexcellentabrasionresistance,corrosionresistance,heatresistanceandgoodthermalshockresistanceasstructuralceramics.Ontheotherhand,Si3N4ceramicalsohaspropertiesoffunctionalceramics,excellentdielectricproperties.Eitherasstructuralceramicsorfunctionalceramics,everonehopeSi3N4ceramichasmoreexcellentperformanceandissuitablefortheprice.ThisarticledescribestheprocessofhighperformanceSi3N4ceramicfromtheSi3N4ceramicrawmaterialpreparation,molding,sinteringprocess.Keywords:Siliconnitride;Structuralceramics;Functionalceramics;Rawmaterialpreparation;Castingprocess;Sinteringprocess第1章緒論隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，對(duì)材料的研究與應(yīng)用提出了更高的要求，傳統(tǒng)材料難以滿足日益開展的要求。隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到陶瓷的潛在優(yōu)勢，工程陶瓷材料越來越受到重視，并取得了許多突破性進(jìn)展。二次大戰(zhàn)結(jié)束后，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)等技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽烁叩囊螅仁谷藗內(nèi)ふ腋艹惺芨邷?，比普通陶瓷更能抵御化學(xué)腐蝕的材料。Si3N4的出色表現(xiàn)，激起了人們對(duì)它的熱情和興趣[1]。自1859年Deville[2]等人首次成功合成Si3N4開始，Si3N4陶瓷材料的制備及性能成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。有關(guān)其應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道最早出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代，Si3N4最初作為碳化硅和氧化物粘結(jié)相應(yīng)用于耐火材料，隨后用于制造坩堝、熱電偶管、火箭噴嘴等[3]。上世紀(jì)60年代，隨著對(duì)高溫性能〔尤其熱震性能〕優(yōu)良的新型材料需求的增加，作為高溫結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在應(yīng)用材料—Si3N4陶瓷材料的開展速度明顯升高。自上世紀(jì)70年代Si3N4陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)工程研發(fā)開始，Si3N4陶瓷材料的開發(fā)一直以陶瓷與電子工業(yè)為主，不斷向其它應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，其研究方向主要有五個(gè)根本分支：Si3N4根本物理性能、非晶薄膜Si3N4、粉末制備、多孔Si3N4陶瓷材料和致密Si3N4陶瓷材料[3]。制約高性能Si3N4陶瓷應(yīng)用的主要障礙是制造本錢高、可靠性差和生產(chǎn)一致性差。第2章Si3N4陶瓷根本性質(zhì)Si3N4是一種共價(jià)鍵化合物，其根本結(jié)構(gòu)單元為[SiN4]四面體，在三維空間形成連續(xù)而又鞏固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]。在[SiN4]四面體中Si原子與N原子以共價(jià)鍵結(jié)合，而且Si-N鍵具有很高的鍵強(qiáng)。事實(shí)上，Si3N4陶瓷的很多性能(如高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫和難燒結(jié)等)都是與Si-N強(qiáng)共價(jià)鍵有關(guān)。Si3N4的晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，有兩個(gè)結(jié)晶相，α相和β相。其中β-Si3N4結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，Si3N4在1300℃時(shí)會(huì)發(fā)生α→β相變，常壓1877℃[5]直接分解為液態(tài)硅和氮?dú)?。α相?duì)稱性低容易生成，β相從熱力學(xué)的角度上比擬穩(wěn)定。如圖1.1所示，二者唯一結(jié)構(gòu)區(qū)別是沿c軸的堆垛順序，β相Si3N4的每個(gè)單位晶胞中含有兩個(gè)分子，結(jié)構(gòu)上由Si和N原子在c軸按…ABAB…堆積成六方結(jié)構(gòu)；α相Si3N4的每個(gè)單位晶胞中含有四個(gè)分子，結(jié)構(gòu)上由Si和N原子在c軸按…ABCDABCD…堆積成六方結(jié)構(gòu)，發(fā)生相變時(shí)，氮化硅四面體以c軸垂線為軸心旋轉(zhuǎn)180°。圖1.1a〕β-Si3N4的單晶結(jié)構(gòu)；b〕α-Si3N4的單晶結(jié)構(gòu)Si3N4陶瓷材料，具有高比強(qiáng)、高比模、高硬度、耐高溫、抗氧化和耐磨損以及抗熱震等優(yōu)良的綜合性能。Krstic[6]等人根據(jù)Popper總結(jié)的文獻(xiàn)將Si3N4陶瓷材料的根本物理性能列表，詳見表1-1。Si3N4熱膨脹系數(shù)也較低、導(dǎo)熱率高，在陶瓷材料中有較高的斷裂韌性。耐熱沖擊性也極佳，熱壓燒結(jié)的Si3N4加熱到l000℃后投入冷水中也不會(huì)破裂。此外，Si3N4材料還具有相對(duì)較低的密度和低的介電常數(shù)、介電損耗等優(yōu)良的介電性能。將Si3N4基體與石英和BN顆粒、纖維等增強(qiáng)體復(fù)合，可制成綜合性能優(yōu)異的透波復(fù)合材料。采用有機(jī)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化的方法制備高性能陶瓷基復(fù)合材料逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Si3N4導(dǎo)熱率理論上應(yīng)具有較高熱導(dǎo)率，但實(shí)際上熱導(dǎo)率不高。由于晶格內(nèi)的缺陷雜質(zhì)對(duì)聲子正規(guī)碰撞過程〔N過程〕的阻礙使其熱阻升高，晶粒尺寸、晶格雜質(zhì)〔主要指氧雜質(zhì)〕和構(gòu)成晶界薄膜的晶界相〔主要指厚度〕也有很大影響。在不太高的溫度下，Si3N4具有較高的強(qiáng)度和抗沖擊性，但在1200℃以上會(huì)隨使用時(shí)間的增長而出現(xiàn)破損，使其強(qiáng)度降低，在1450℃以上更易出現(xiàn)疲勞損壞，所以Si3N4的使用溫度一般不超過1300℃。目前提高Si3N4陶瓷的高溫性能主要有以下3種方法：(1)改變晶間相成分，提高耐火性；(2)晶界玻璃相的晶化處理；(3)形成Sialon消除晶間相。Si3N4陶瓷增韌的途徑有很多，主要有顆粒彌散增韌、晶須或纖維增韌、ZrO2的相變?cè)鲰g、利用柱狀β-Si3N4晶粒的自增韌和層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合增韌等[7]。表2.1Si3N4陶瓷材料綜合性能第3章Si3N4陶瓷制備3.1Si3N4陶瓷材料3.1.1Si3N4粉末Si3N4粉末原料的制備工藝決定了原料的固有特性和所含雜質(zhì)〔微晶尺寸、α相含量以及氧含量等〕，從而影響了Si3N4陶瓷材料燒結(jié)過程中的致密化行為。由于制備工藝不同，各類型Si3N4陶瓷具有不同的微觀結(jié)構(gòu)(如孔隙度和孔隙形貌晶粒形貌、晶間形貌以及晶間第二相含量等)。商用Si3N4粉料的常用制備方法有三種，分別為硅粉氮化、氮?dú)鈿夥障露趸璧奶紵釓?fù)原和硅二酰亞胺的高溫分解，反響溫度分別為1300℃~1400℃，1450℃~1500℃，1000℃左右。納米Si3N4粉末主要制備方法為激光誘導(dǎo)氣相沉積法，可通過此方法獲得粒徑小于10nm的均勻氮化硅粉末[9],。此外還有自蔓延高溫合成，氣相法、及新興的微波合成法。目前，Si3N4粉體的工業(yè)化生產(chǎn)在全世界范圍仍以本錢較低的硅粉氮化法為主[8]。氮化氣體狀態(tài)、溫度、添加劑、粒度影響氮化效果。因而各項(xiàng)性能差異很大[10]，要得到性能優(yōu)良的Si3N4陶瓷材料，首先應(yīng)制備高質(zhì)量的Si3N4粉末。用不同方法制備的Si3N4粉質(zhì)量不完全相同，這就導(dǎo)致了其在用途上的差異。一般來說，高質(zhì)量的Si3N4粉應(yīng)具有α相含量高，組成均勻，雜質(zhì)少且在陶瓷中分布均勻，粒徑小且粒度分布窄及分散性好等特性。好的Si3N4粉中α相至少應(yīng)占90%，這是由于Si3N4在燒結(jié)過程中，局部α相會(huì)轉(zhuǎn)變成β相，而沒有足夠的α相含量，就會(huì)降低陶瓷材料的強(qiáng)度。以β-Si3N4為成核劑可誘導(dǎo)α-Si3N4發(fā)生相變。隨著參加量增加,生成的β-Si3N4的長徑比逐漸增大；相變后生成的柱狀晶交錯(cuò)、搭接，拔出需消耗能量，導(dǎo)致斷裂所需的能量增加，提高了多孔氮化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度[13]。從β-Si3N4相含量、晶界相物相組成及含量、晶格內(nèi)缺陷、晶粒尺寸以及晶粒的定向排列程度等方面考慮,可獲得高熱導(dǎo)率的β-Si3N4陶瓷選取高純?chǔ)孪嘣蟍12]。陶瓷燒結(jié)時(shí)必須滿足兩個(gè)條件：1〕原子擴(kuò)散率一定要高；2〕新形成的晶界相自由能要足夠低，可使系統(tǒng)總能量呈下降趨勢[11]。而Si3N4作為共價(jià)化合物，其自擴(kuò)散系數(shù)較低，自擴(kuò)散時(shí)需要極高的活化能；且純Si3N4的晶界能較高，即使長時(shí)間高溫?zé)Y(jié)，其致密化也具有一定難度。Si3N4陶瓷材料的燒結(jié)過程屬于液相燒結(jié)和顆粒重排，材料強(qiáng)度受材料微觀形貌及晶界相影響顯著，Si3N4陶瓷材料的主要增韌方式為自增韌；采用適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑可有效提高Si3N4陶瓷材料的熱導(dǎo)率，增加材料斷裂韌性，促進(jìn)材料性能完善。粒徑小于1.5μm純度為95%的α－Si3N4為原料，CeO2為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)，工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度1800℃；燒結(jié)時(shí)間1h；單軸壓力30MPa；氮?dú)鈿夥?。添加燒結(jié)助劑以降低Si3N4的晶界能，增加其擴(kuò)散率，從而提高材料致密化程度。Si3N4粉末外表存在的氧化硅，可在燒結(jié)時(shí)與燒結(jié)助劑和Si3N4本身發(fā)生反響，在適當(dāng)溫度形成液相，通過顆粒重置過程〔此時(shí)α相顆粒溶解于液相，而后以β相析出沉淀〕促進(jìn)致密化。Si3N4陶瓷材料常用的燒結(jié)助劑有稀土燒結(jié)助劑RE2O3〔RE=La，Nd，Gd，Y，Yb，Ce，Sc〕、Al2O3、CaO、SiO2、MgO、MgSiN2等，但鋁和氧是阻礙聲子傳導(dǎo)的主要晶格雜質(zhì)，需要采用無鋁燒結(jié)助劑。致密化原理是形成低熔點(diǎn)硅酸鹽或者降低共晶熔點(diǎn)。Yb2O3與Y2O3是制備具有較高熱導(dǎo)率Si3N4使用最多的稀土燒結(jié)助劑。燒結(jié)助劑在降溫過程中析出熱導(dǎo)率極低的第二相。復(fù)合助燒劑可以促進(jìn)燒結(jié)[14]。以CeO2為燒結(jié)助劑，Si3N4的相變轉(zhuǎn)換率近100%；當(dāng)CeO2含量不超過8mol%時(shí)，Si3N4晶界相的構(gòu)成主要為Ce4.67(SiO4)3O、Si2ON2以及Ce2Si2O7；隨著燒結(jié)助劑含量的變化，其晶界結(jié)晶相構(gòu)成呈現(xiàn)出明顯規(guī)律性變化。Ce4.67(SiO4)3O有利于致密化，Ce2Si2O7有利于提高強(qiáng)度，Si2ON2極大提高彎曲強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性。晶粒尺寸隨燒結(jié)助劑含量增加取值范圍減小，長柱狀晶數(shù)目增多。CeO2含量由1mol%增加至7mol%時(shí)，Si3N4陶瓷材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及熱導(dǎo)率隨CeO2含量增加而升高[15]。Si3N4為自增韌陶瓷材料，其增韌機(jī)制主要為裂紋橋接與裂紋偏轉(zhuǎn)。表3.1常用助燒劑Si3N4粉體顆粒外表多含有硅烷醇基團(tuán)，而硅烷醇可以促進(jìn)水分對(duì)Si3N4顆粒的潤濕效果，提高分散效果。選擇適宜比例的納米粉體和微粉可以促進(jìn)燒結(jié)。埋粉，石墨碳?xì)职?，高純氮非氧化性氣氛下燒結(jié)，減少結(jié)助劑揮發(fā)，促進(jìn)燒結(jié)。相變導(dǎo)致Si3N4陶瓷中點(diǎn)缺陷濃度增高是引起材料介電損耗大幅增加主要原因[16]。3.1.2Si3N4薄膜由于Si3N4薄膜優(yōu)異的物理性能和化學(xué)惰性，常作為鈍化、絕緣和介質(zhì)材料應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子以及微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前Si3N4膜的制備方法可分為兩類：化學(xué)氣相沉積〔CVD〕和物理氣相沉積〔PVD〕。CVD是制備、生產(chǎn)Si3N4薄膜最常見的方法。Si3N4薄膜應(yīng)用前景廣泛，其制備技術(shù)的改進(jìn)研發(fā)成為Si3N4薄膜研究工作的主要方向。運(yùn)用射頻磁控濺射方法可以制取微米級(jí)厚的、近紅外波段透過率高的、折射率在2.0左右、膜厚2μm在以上的近紅外透明Si3N4光學(xué)薄膜[17]。3.1.3多孔Si3N4陶瓷多孔Si3N4是一種新型陶瓷材料，綜合了傳統(tǒng)Si3N4陶瓷與多孔陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，物理性能優(yōu)良、透過性均勻，可作為透波、過濾、催化劑載體材料以及生物陶瓷應(yīng)用于航空航天、環(huán)境、化工、生物等領(lǐng)域[18]。多孔Si3N4陶瓷的制備方法可根據(jù)有無造孔劑分為兩類：造孔劑法和燒結(jié)法。Xu等人[19]曾應(yīng)用造孔劑法成功制備出具有較高強(qiáng)度且孔隙率大于50%的多孔Si3N4陶瓷材料。另外碳熱復(fù)原法以其高效益、高孔隙率等諸多優(yōu)點(diǎn)成為制備多孔Si3N4陶瓷的研究熱點(diǎn)。采用ZrP2O7作為結(jié)合劑,利用無壓燒結(jié)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在較低燒結(jié)溫度下制備具有高孔隙率、高強(qiáng)度、低介電常數(shù)且孔隙率與介電常數(shù)可控的、以α-Si3N4為主相的Si3N4基多孔陶瓷。所制備的磷酸鹽結(jié)合Si3N4基多孔陶瓷材料的孔隙率為30%~50%?？紫堵孰SZrP2O7含量的增大而減小，因此可以通過調(diào)配ZrP2O7的含量精確控制材料的孔隙率[20]。采用碳熱復(fù)原-常壓燒結(jié)法制備多孔Si3N4陶瓷材料，制得的多孔Si3N4陶瓷主要由長柱狀β-Si3N4晶粒交錯(cuò)搭接形成，1200℃預(yù)燒結(jié)制度有利于β-Si3N4晶粒的發(fā)育和成型，產(chǎn)物長徑比擬大，組織分布均勻，晶粒結(jié)合較為緊密，其內(nèi)部具備大量不規(guī)那么孔隙結(jié)構(gòu)[21]。3.2Si3N4陶瓷料漿注射成型工藝是指在較高壓力和溫度下把溶化的含蠟料漿注射到金屬或多孔模具中，冷卻后脫模得到坯體，之后通過脫蠟和燒結(jié)。脫脂過程容易出現(xiàn)有機(jī)物富集和顆粒重排等現(xiàn)象。流延成型是指在陶瓷粉體中參加有機(jī)或無機(jī)溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、外表活性劑等，制備出分散均勻懸浮性良好的料漿，然后通過流延機(jī)制備不同厚度的生瓷片。這種方法有毒溶劑和制品質(zhì)量存在問題。注漿成型利用石膏模具毛細(xì)管力的吸水性，將制備得陶瓷料裝注入石膏模具，由模具的毛細(xì)管把料裝中的水分吸出，而陶瓷顆粒在模具中留下形成毛坯。凝膠注模成型在催化劑和引發(fā)劑的作用下，利用有機(jī)單體原位聚合反響形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定陶瓷粉體顆粒，形成具有一定強(qiáng)度和柔韌性性的坯體。有的通過生物酶催化內(nèi)部化學(xué)反響，使分散顆粒外表的電荷密度降低，使懸浮體變得不穩(wěn)定，進(jìn)而固化成型。漿料穩(wěn)定機(jī)制有靜電和空間位阻作用。煅燒預(yù)處理[22]和燒結(jié)助劑〔可以是檸檬酸〕可以制備出固相含量高，懸浮性良好，PH值穩(wěn)定Si3N4料漿。煅燒預(yù)處理的保溫時(shí)間對(duì)Si3N4燒結(jié)體中液相含量有很大影響[23]。以α-Si3N4相粉為原料，通過氧化預(yù)處理改善Si3N4粉體外表性質(zhì)，氧化處理時(shí)需要選擇適當(dāng)?shù)臈l件，在降低漿料黏度的同時(shí)保持一定的氣孔率[24]?？菰镫A段分為兩個(gè)主要階段，慢速枯燥階段在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行，快速枯燥階段可以和脫膠工藝相結(jié)合。毛坯枯燥過程就是物理排水。低溫脫膠以后，適當(dāng)升溫，是坯體具有一定強(qiáng)度。3.3Si3N4陶瓷燒結(jié)方法Si3N4陶瓷的制備技術(shù)在過去幾年開展很快，制備工藝主要集中在反響燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法和常壓燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法等類型。近年來放電等離子燒結(jié)、無壓燒結(jié)等燒結(jié)方式也受到關(guān)注。3.3.1反響燒結(jié)法〔RS〕為一般成型法，先將硅粉壓制成所需形狀的生坯，放入氮化爐經(jīng)預(yù)氮化(局部氮化)燒結(jié)處理，預(yù)氮化后的生坯已具有一定的強(qiáng)度，可以進(jìn)行各種機(jī)械加工(如車、刨、銑、鉆)。最后，在硅熔點(diǎn)的溫度以上；將生坯再一次進(jìn)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<0.1%)。反響燒結(jié)Si3N4結(jié)合碳化硅制品中Si3N4存在纖維狀和柱狀兩種形狀，說明Si形成的反響存在兩種途徑，即間接反響和直接反響。該產(chǎn)品一般不需研磨加工即可使用。反響燒結(jié)法適于制造形狀復(fù)雜，尺寸精確的零件，本錢也低，但氮化時(shí)間很長。3.3.2熱壓燒結(jié)法〔HPS〕將Si3N4粉末和少量添加劑〔如MgO，Al2O3，MgF2，F(xiàn)e2O3等〕在19.6MPa以上壓強(qiáng)和1600℃以上溫度熱壓成型燒結(jié)。不含燒結(jié)助劑，高含量的金屬雜質(zhì)〔Fe、Ca、Al〕，能提高致密度，并促進(jìn)晶粒的生長。復(fù)合稀土三元燒結(jié)助劑能使Si3N4陶瓷完全致密化[25]。Si3N4陶瓷的抗磨損性和切削性能〔熱處理后第二相結(jié)晶很重要〕受到壓痕初性、硬度和晶界相的影響。由于嚴(yán)格控制晶界相的組成，以及在Si3N4陶瓷燒結(jié)后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以獲得溫度高達(dá)1300℃時(shí)強(qiáng)度(可達(dá)490MPa以上)也不會(huì)明顯下降的Si3N4系陶瓷材料，而且抗蠕變性可提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。假設(shè)對(duì)Si3N4陶瓷材料進(jìn)行1400—1500℃高溫預(yù)氧化處理，那么在陶瓷材料外表上形成Si2N2O相，它能顯著提高Si3N4陶瓷的耐氧化性和高溫強(qiáng)度。熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)的Si3N4陶瓷的機(jī)械性能比反響燒結(jié)的Si3N4要優(yōu)異，強(qiáng)度高、密度大。但制造本錢高、燒結(jié)設(shè)備復(fù)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(fù)雜零件，只能制造形狀簡單的零件制品，工件的機(jī)械加工也較困難。熱壓法透明陶瓷β-Si3N4的透過率隨波長增加而增加，β-Si3N4陶瓷透明化的主要原因在于：在保證高致密度的同時(shí)，Mg–Si–O–N液相在高溫下不斷揮發(fā)，大幅減少了晶界相含量[26]。熱等靜壓燒結(jié)溫度可逾3000℃，燒結(jié)體各向同性、微觀結(jié)構(gòu)均勻，但因能耗與平安問題逐漸被替代。3.3.3常壓燒結(jié)法(PLS)在提高燒結(jié)氮?dú)夥諌毫Ψ矫?，利用Si3N4分解溫度升高(通常在N2=1atm氣壓下，從1800℃開始分解)的性質(zhì)，在1700—1800℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行常壓燒結(jié)后，再在1800—2000℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行氣壓燒結(jié)。該法目的在于采用氣壓能促進(jìn)Si3N4陶瓷組織致密化，從而提高陶瓷的強(qiáng)度，所得產(chǎn)品的性能比熱壓燒結(jié)略低，這種方法的缺點(diǎn)與熱壓燒結(jié)相似。3.3.4氣壓燒結(jié)法(GPS)氣壓燒結(jié)Si3N4在1～10MPa氣壓下，2000℃左右溫度下進(jìn)行。高的氮?dú)鈮阂种频璧母邷胤纸?。由于采用高溫?zé)Y(jié)，在添加較少燒結(jié)助劑情況下，也可以促進(jìn)Si3N4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，氣壓燒結(jié)得到越來越大的重視。氣壓燒結(jié)Si3N4陶瓷具有高韌性、高強(qiáng)度和好的耐磨性，可直接制取接近最終形狀的各種復(fù)雜形狀制品，從而可大幅度降低生產(chǎn)本錢和加工費(fèi)用，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。Si3N4的燒結(jié)存在致密化和熱分解這一矛盾。增加燒結(jié)體系中的N2分壓，就可以減小PSi，使之小于與液態(tài)平衡的蒸汽壓，從而可抑制Si3N4的分解。二步和多步氣壓燒結(jié)法使材料更為致密，低氣氛壓力下(0.1-2MPa)，將坯體燒結(jié)至孤立封閉氣孔；然后在較高的氣壓(6-10MPa)和溫度下進(jìn)行二次燒結(jié)，進(jìn)一步排除閉氣孔。溫度升高有利于β-Si3N4晶相的生成，陶瓷燒結(jié)體的強(qiáng)度單調(diào)上升而氣孔率下降[27]。第4章結(jié)論要獲得具有優(yōu)良性能的陶瓷材料，必須提高原料的質(zhì)量，并通過成分設(shè)計(jì)優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)陶瓷材料來說特別是優(yōu)化晶界特性。除此之外，工藝條件起著決定作用。歸納起來，工藝條件主要有溫度、時(shí)間、氣氛和壓力，有時(shí)還要使用特殊條件。另外，必須考慮經(jīng)濟(jì)的因素。目前的問題是：利用熱壓方法制造復(fù)雜Si3N4陶瓷部件過于昂貴；反響燒結(jié)Si3N4的剩余孔隙不僅使反響燒結(jié)強(qiáng)度降低，而且易被氧化，特別處中溫區(qū)的氧化對(duì)蠕變、熱沖擊和熱循環(huán)等性能有嚴(yán)重影響；各種技術(shù)制備的氮化硅陶瓷材料性能和利用先進(jìn)技術(shù)制備大型復(fù)雜件的可靠性還不能令人滿意。因此，工藝技術(shù)方面的未來課題將主要集中在：(1)加強(qiáng)制造復(fù)雜元件的更經(jīng)濟(jì)、更先進(jìn)技術(shù)的研究；(2)提高材料性能、批量生產(chǎn)和大型件制造的可靠性，減少性能值的分散性；(3)探索更經(jīng)濟(jì)、更高效的制粉方法。第5章展望目前人們對(duì)Si3N4的高溫強(qiáng)度、抗熱震性、高溫蠕變及高溫抗氧化性研究正在迅速開展，但距離高溫下應(yīng)用的要求還很遠(yuǎn)，特別是在1400℃下的強(qiáng)度和斷裂韌性還不能令人滿意。左右Si3N4制品物理性能主要因素之一是Si3N4原料粉末，目前必須對(duì)現(xiàn)有的制品進(jìn)行改進(jìn)。另外高性能Si3N4本錢的降低，才可以促進(jìn)應(yīng)用范圍擴(kuò)大。另外Si3N4陶瓷，功能陶瓷的作用正在放大，多孔Si3N4陶瓷，透波陶瓷，介電性等方面，希望Si3N4陶瓷結(jié)構(gòu)-功能一體化事業(yè)奮力前行。參考文獻(xiàn)[1]李勇霞.高性能氮化硅的制備及其性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013,7.[2]徐鵬,楊建,丘泰.高導(dǎo)熱陶瓷制備的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,29(2):384-389.[3]王正軍.氮化硅陶瓷的研究進(jìn)[J].材料科學(xué)與工藝,2009,17(2):155-158.[4]WANGCM,PANX,RUHLEM,etal.Siliconnitridecrystalstructureandobservationsoflatticedefects[J].JournalofMaterialsScience,1996,31(31):5281-5298.[5]李世普.特種陶瓷工藝學(xué)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2004:78~85[6]張偉儒,彭珍珍,王騰飛等.高純氮化硅粉合成研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2015,34(增):345-348.[7]蔣強(qiáng)國.含三元燒結(jié)助劑氮化硅陶瓷的制備、微觀結(jié)構(gòu)及性能研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2015,12.[8]楊亮亮,謝志鵬,李雙等.MgO-Al2O3-CeO2復(fù)合燒結(jié)助劑對(duì)放電等離子燒結(jié)氮化硅陶瓷致密化和性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2015,43(12):1712-1718.[9]賈玲,谷景華,張躍.以β-Si3N4為晶種多孔氮化硅陶瓷的制備[J].人工晶體學(xué)報(bào),2008,37(5):1224-1227.[10]程蕓.氮化硅透例光學(xué)薄膜的與分析[D].武漢理工大學(xué),2012,12.[11]PENGGH，LIANGZH，F(xiàn)ENGYZ，etal.Atranslucentandhardsiliconnitrideceramicpreparedbyhot-pressingatlowtemperatures(inChinese).CNPatent，ZL200910114342.5.2012–01–04.[12]王會(huì)陽,李承宇,劉德志等.氮化硅陶瓷的制備及性能研究進(jìn)展[J].江蘇陶瓷,2011,44(6):4-7.[13]徐潔,周萬城,王俊勃等.α/β相變對(duì)多孔氮化硅陶瓷介電性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2011,39(3):475-480.[14]TaffnerU,CarleV,SchaferU,PredelF.Ceramographicofhighperformanceceramicsdescriptionofmaterials:siliconnitride(Si3N4)[J].PraktMet,1991(28):592.[15]蘇睿,黃志鋒等.氮化硅基多孔陶瓷的制備技術(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)及其相關(guān)性能[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2