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氣含量約78.6％地殼中硅是繼氧后含量第二的元素（26.09％）自然界中沒有氮硅化合物氮化硅為人工合成的新材料（1857年）19世紀80年代，人們已經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80年代，人們已經制備出緒言二戰(zhàn)之后，科學技術發(fā)展迅速，原子能、火箭、燃氣輪機等高技術領域對材料提出了更高的要求，迫使人們去尋求比耐熱合金更能承受高溫、比普通陶瓷更能抵御化學腐蝕的新材料。氮化硅陶瓷性能優(yōu)異，激發(fā)了人們對它的熱情和興趣。緒言二戰(zhàn)之后，科學技術發(fā)展迅速，原子能、火箭、燃氣輪機等高技緒言高的室溫強度和高溫強度高硬度耐磨蝕性好抗氧化性高良好的耐熱沖擊和機械沖擊性能在高溫結構陶瓷領域，氮化硅陶瓷是綜合性能最好、最有應用潛力和最有希望替代鎳基合金并在高溫領域獲得廣泛應用的新材料。緒言高的室溫強度和高溫強度氮化硅結構氮化硅與氮和硅通過共價鍵連接，結構比較復雜，一般認為主要有-Si3N4，空間群為P63/m，六方晶格常數a=0.7608nm，c=0.2910nm,易形成長柱狀結構-Si3N4，空間群為P31c,六方晶胞常數a=0.7748~0.7765nm，c=0.5617~0.5622nm，易形成等軸狀顆粒結構氮化硅結構氮化硅與氮和硅通過共價鍵連接，結構比較復雜，一般認氮化硅結構1400~1600℃加熱-Si3N4會轉變成-Si3N4。但不能說相是低溫晶型，是高溫晶型。低溫合成時兩相可同時存在兩種結構除有對稱性高低差別外，并沒有高低溫之分！只不過相對稱性低，容易形成，相在熱力學上更穩(wěn)定！氮化硅結構1400~1600℃加熱-Si3N4會轉變成-氮化硅物理化學性質熱學性質：屬高溫難熔化合物無熔點，常壓下1900℃左右分解，

抗高溫蠕變能力強，不含粘結劑的反應燒結氮化硅負荷軟化點可高達1800℃多。熱膨脹系數小，（2.8~3.2）×10－6/℃導熱性好－（2～155W/(mK)）－良好的抗熱震性能（從室溫～1000℃熱沖擊不會開裂）氮化硅物理化學性質熱學性質：屬高溫難熔化合物氮化硅物理化學性質電絕緣性－（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、燒結助劑引入的雜質等影響）化學穩(wěn)定性：硅氮共價鍵結合，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氮化硅物理化學性質電絕緣性－（電阻率：1015～1016·氮化硅物理化學性質反應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℃以上開始反應氮化硅物理化學性質反應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性質潮濕空氣中，氮化硅受熱200℃以上，即可發(fā)生表面氧化作用此反應生成的氧化硅是無定形的，不能形成致密保護膜，這個反應會不斷緩慢進行。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系，堿金屬雜質會加快氧化反應。不均勻部分及雜質會使局部氧化加快，形成凹坑，大大降低陶瓷強度。氮化硅物理化學性質潮濕空氣中，氮化硅受熱200℃以上，即可發(fā)氮化硅物理化學性質（2）抗熔融金屬腐蝕性氮化硅對單質金屬熔液（Al，Zn，Cd，Au，Ag，Sn，Pb，Bi，Ga，Ge，In）不浸潤，不受腐蝕。在真空或惰性氣體中不受Cu腐蝕，有氧時氧化銅會與氮化硅反應。Mg、Si能將氮化硅潤濕并微量侵蝕過渡元素熔液能強烈潤濕氮化硅并與Si反應生成硅化物，迅速分解氮化硅放出氮氣氮化硅物理化學性質（2）抗熔融金屬腐蝕性氮化硅物理化學性質對于合金熔液氮化硅對黃銅、硬鋁、鎳銀等很穩(wěn)定，對鑄鐵、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）氮化硅物理化學性質對于合金熔液氮化硅物理化學性質氫氟酸對氮化硅腐蝕明顯熔融NaOH等熔融堿和熔融鹽對氮化硅腐蝕明顯晶界性質對抗腐蝕性影響很大對強輻射也是穩(wěn)定的。氮化硅物理化學性質氫氟酸對氮化硅腐蝕明顯氮化硅的力學性能硬度

-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。氮化硅的力學性能硬度氮化硅的力學性能摩擦系數與自潤滑性摩擦系數小，在高溫高速條件下，升高幅度也較小，因此能保證機構的正常運轉。氮化硅陶瓷具有自潤滑性－－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阻力減小，磨損量也特別小。氮化硅的力學性能摩擦系數與自潤滑性氮化硅的力學性能機械強度隨制備工藝和組織結構的不同而有較大幅度的變動?？拐蹚姸仍?00～1200Mpa范圍波動。斷裂韌性較高（3～9Mpa·m1/2）四方氧化鋯可達15，鑄鐵、硬質合金（～30），比氧化鋁、碳化硅高。高溫強度取決于晶界相。氮化硅的力學性能機械強度氮化硅的力學性能可機械加工性未燒結的高壓力等靜壓坯（如壓力600Mpa）可直接機械加工半燒結的素坯，可以用普通車床加工，再完全燒結。已燒結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0.025微米（鏡狀光澤面）；0.006微米（鏡面）氮化硅的力學性能可機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物，溫度高則生成高相產物。有鐵可促進反應進行。為放熱反應，應注意控制溫度，以免超硅熔融阻礙反應進行。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中碳過量和氧化硅過量都會引入雜質3）氣相合成可制得高純超細氮化硅粉氮化硅陶瓷的制造方法2）氧化硅還原氮化生產中碳過量和氧化硅過氮化硅陶瓷的制造方法4）SHS（自蔓延反應合成）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物，一般需脫膠（排蠟）工序。脫蠟過程要特別注意升溫速率，保證有機物緩慢氣（液）化排出，防止生坯膨脹開裂！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硅氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅的燒結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）成型和燒結過程中要盡量防止熱應力和機械應力集中。2）減少陶瓷體內缺陷，防止不同步燒結。3）燒成的陶瓷晶粒要細，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鍵化合物，很難燒結致密！1）反應燒結或反應結合氮化硅是工業(yè)化生產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氣中1200℃預氮化機械加工成所需零件氮氣氛中1400～1500℃最終氮化燒結氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅是共價鍵化合物，很難燒結致密！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。通過預氮化，機加工，燒成后尺寸基本不變的工藝特點，可以用來制造尺寸精確、復雜形狀的部件，這是區(qū)別于氣體陶瓷燒結的顯著特點。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燒結要控制反應速度，所以氮化周期比較長（一般要4～6天）燒結坯一般還有15％～30％的孔隙率和1～5％的殘留硅，因此強度一般較低！反應燒結需氮氣滲入坯體內部，因此尺寸太厚的產品（超過10毫米）難以氮化完全，性能差。優(yōu)點：高溫強度下降很少，尺寸精度高。設備投資少，制品加工比較低廉，適合大批量生產。氮化硅陶瓷的制造方法反應燒結要控制反應速度，所以氮化周期比較氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(Hot-pressSintering)高溫下，外加壓力強制物料移動實現致密化。純氮化硅粉即使熱壓也無法致密化?。尤霟Y助劑！燒結助劑同氮化硅中微量雜質及氮化硅本身反應生產玻璃相晶界，高溫下玻璃相融化，在外加壓力的作用下共同促進坯體致密化。MgO，Y2O3，和Al2O3等，氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結(Hot-pressSinte氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結氮化硅陶瓷，致密度高強度也高（800～1200Mpa）。燒結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成長柱狀交織結構，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氮化硅陶瓷，致密度高強度也高（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不要求預先成型，粉體不用加成型劑。熱壓燒結最關鍵的是熱壓模具（1700～1800℃燒結）石墨模具強度低，為保證熱壓時的壓力，陰模的厚度隨熱壓樣品的尺寸增大要很厚！大尺寸高強石墨價格高昂，而且不能保證使用過程中不發(fā)生斷裂！氮化硅陶瓷的制造方法熱壓燒結不要求預先成型，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合材料性能改善不少——壁厚降低，安全系數大大提高碳纖維抗拉強度：2000～3000Mpa高強石墨抗折強度：30～50Mpa，抗壓強度<80Mpa熱壓壓力一般20～30Mpa熱壓燒結效率低，產品形狀單一，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合材料性能改善氮化硅陶瓷的制造方法常壓燒結(PressurelessSintering)與熱壓燒結類似，要加入燒結助劑（加入的量比熱壓要高）原料粉必須高含量。燒結機理也是液相燒結，同時溶解，淀析過程同樣存在。由于高溫氮化硅容易分解，燒結時必需使用埋粉（氮化硅＋BN＋MgO）氮化硅陶瓷的制造方法常壓燒結(PressurelessSi氮化硅陶瓷的制造方法將反應燒結和常壓燒結結合起來反應燒結前將燒結助劑混入原料粉中，將反應燒結坯在高溫下重新燒結，得到致密氮化硅制品重燒結必須在高的氮氣壓力下（幾十到幾百大氣壓）制品強度可以達到熱壓的效果。重燒結（Resintering或Post-Sintering氮化硅陶瓷的制造方法將反應燒結和常壓燒結結合起來重燒結（Re氮化硅陶瓷的制造方法氣壓燒結（Gas-PressureSintering)與重燒結類似，只是不需要前面的反應燒結過程。燒結溫度最高可達2000℃。氣壓燒結可以用常壓燒結50％或更少的燒結助劑實現燒結，產品性能較好。致密化主要貢獻來自較高的溫度，高的氮氣壓力主要是為了抑制氮化硅的分解。氮化硅陶瓷的制造方法氣壓燒結（Gas-PressureSi氮化硅陶瓷的制造方法熱等靜壓燒結（Hot-Iso-pressureSintering）粉體或預壓好的坯體裝入包套（金屬或玻璃）爐內通入高壓氣體（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，使產品燒結致密。冷卻后清除包套獲得燒結產品。熱等靜壓燒結可以獲得完全致密的氮化硅陶瓷，可以少用或不用燒結助劑，產品各向同性。熱等靜壓燒結設備昂貴、工藝復雜（要包套）、生產成本高。氮化硅陶瓷的制造方法熱等靜壓燒結（Hot-Iso-press氮化硅陶瓷的制造方法其他燒結方法（等離子燒結、微波燒結、電火花燒結等等，沒有進入生產領域）氮化硅陶瓷的制造方法其他燒結方法（等離子燒結、微波燒結、電火氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷導輪氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷導輪氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用硬度高，耐磨，耐強酸腐蝕，高溫性能無明顯降低；

抗熱震性優(yōu)良，極高的抗氧化性，工作溫度可達1200度；

有自潤滑性能，使用壽命較傳統(tǒng)鋼軸承高。

高溫設備中的傳遞裝置：高溫達到1200度時，強度，硬度幾乎不變；高速運轉領域：高速電機主軸軸承，機床主軸軸承，牙鉆軸承，計算機硬盤驅動器軸承，儀器儀表用軸承；

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

高真空領域，強磁場環(huán)境。氮化硅陶瓷的應用硬度高，耐磨，耐強酸腐蝕，高溫性能無明顯降低氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷電熱塞氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷電熱塞氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷課件氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷的應用氮化硅陶瓷