氮化硅陶瓷制備方法

Si3N4 陶瓷的制備技術(shù)在過(guò)去幾年發(fā)展很快，制備工藝主要集中在反應(yīng)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(lèi)型. 由于制備工藝不同，各類(lèi)型氮化硅陶瓷具有不同的微觀(guān)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)。因而各項(xiàng)性能差別很大 。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，許多陶瓷材料應(yīng)用的失敗，往往歸咎于開(kāi)發(fā)者不了解各種陶瓷粉末之間的差別，對(duì)其性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)程中,部分α相會(huì)轉(zhuǎn)變成β相，而沒(méi)有足夠的α相含量，就會(huì)降低陶瓷材料的強(qiáng)度。

反應(yīng)燒結(jié)法( RS)

是采用一般成型法，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(部分氮化)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(chē)、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(xiàn)收縮率< 011% ). 該產(chǎn)品一般不需研磨加工即可使用。反應(yīng)燒結(jié)法適于制造形狀復(fù)雜，尺寸精確的零件，成本也低，但氮化時(shí)間很長(zhǎng)。

熱壓燒結(jié)法( HPS)

是將Si3N4 粉末和少量添加劑(如MgO、Al2O3、MgF2、Fe2O3 等)，在1916 MPa以上的壓強(qiáng)和1600 ℃以上的溫度進(jìn)行熱壓成型燒結(jié)。英國(guó)和美國(guó)的一些公司采用的熱壓燒結(jié)Si3N4 陶瓷，其強(qiáng)度高達(dá)981MPa以上。燒結(jié)時(shí)添加物和物相組成對(duì)產(chǎn)品性能有很大的影響。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?，所以可以獲得即使溫度高達(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)。若對(duì)Si3N4 陶瓷材料進(jìn)行1400---1500 ℃高溫預(yù)氧化處理，則在陶瓷材料表面上形成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)械性能比反應(yīng)燒結(jié)的Si3N4 要優(yōu)異，強(qiáng)度高、密度大。但制造成本高、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(jiǎn)單的零件制品，工件的機(jī)械加工也較困難。

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(kāi)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。

氣壓燒結(jié)法( GPS)

近幾年來(lái),人們對(duì)氣壓燒結(jié)進(jìn)行了大量的研究，獲得了很大的進(jìn)展。氣壓燒結(jié)氮化硅在1 ~10MPa氣壓下，2000℃左右溫度下進(jìn)行。高的氮?dú)鈮阂种屏说璧母邷胤纸狻Ｓ捎诓捎酶邷責(zé)Y(jié)，在添加較少燒結(jié)助劑情況下，也足以促進(jìn)Si3N4晶粒生長(zhǎng)，而獲得密度> 99%的含有原位生長(zhǎng)的長(zhǎng)柱狀晶粒高韌性陶瓷. 因此氣壓燒結(jié)無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)上都得到越來(lái)越大的重視. 氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷具有高韌性、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)成本和加工費(fèi)用. 而且其生產(chǎn)工藝接近于硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形狀，在氮?dú)庵屑?200℃的高溫下進(jìn)行初步氮化，使其中一部分硅粉與氮反應(yīng)生成氮化硅，這時(shí)整個(gè)坯體已經(jīng)具有一定的強(qiáng)度。然后在1350℃~1450℃的高溫爐中進(jìn)行第二次氮化，反應(yīng)成氮化硅。用熱壓燒結(jié)法可制得達(dá)到理論密度99%的氮化硅。

Si3N4 陶瓷材料作為一種優(yōu)異的高溫工程材料，最能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的是其在高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。Si3N4 今后的發(fā)展方向是:⑴充分發(fā)揮和利用Si3N4 本身所具有的優(yōu)異特性;⑵在Si3N4 粉末燒結(jié)時(shí)，開(kāi)發(fā)一些新的助熔劑，研究和控制現(xiàn)有助熔劑的最佳成分;⑶改善制粉、成型和燒結(jié)工藝; ⑷研制Si3N4 與SiC等材料的復(fù)合化，以便制取更多的高性能復(fù)合材料。Si3N4 陶瓷等在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，為新型高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新局面。汽車(chē)工業(yè)本身就是一項(xiàng)集各種科技之大成的多學(xué)科性工業(yè)，中國(guó)是具有悠久歷史的文明古國(guó)，曾在陶瓷發(fā)展史上做出過(guò)輝煌的業(yè)績(jī)，隨著改革開(kāi)放的進(jìn)程，有朝一日，中國(guó)也必然躋身于世界汽車(chē)工業(yè)大國(guó)之列，為陶瓷事業(yè)的發(fā)展再創(chuàng)輝煌。

它極耐高溫，強(qiáng)度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，一直到1900℃才會(huì)分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)酸的腐蝕;同時(shí)又是一種高性能電絕緣材料。

氮化硅的很多性能都?xì)w結(jié)于此結(jié)構(gòu)。純Si3N4為3119，有α和β兩種晶體結(jié)構(gòu)，均為六角晶形，其分解溫度在空氣中為1800℃，在011MPa氮中為1850℃。Si3N4 熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，故其耐熱沖擊性極佳。熱壓燒結(jié)的氮化硅加熱到l000℃后投入冷水中也不會(huì)破裂。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(zhǎng)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(guò)1300℃。由于Si3N4 的理論密度低，比鋼和工程超耐熱合金鋼輕得多，所以，在那些要求材料具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫等性質(zhì)的地方用Si3N4 陶瓷去代替合金鋼是再合適不過(guò)了。

利用Si3N4 重量輕和剛度大的特點(diǎn)，可用來(lái)制造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更高的精度，產(chǎn)生熱量少，而且能在較高的溫度和腐蝕性介質(zhì)中操作。用Si3N4 陶瓷制造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱等特性，用于650℃鍋爐幾個(gè)月后無(wú)明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合金鋼噴嘴在同樣條件下只能使用1 - 2個(gè)月.由中科院上海硅酸鹽研究所與機(jī)電部上海內(nèi)燃機(jī)研究所共同研制的Si3N4 電熱塞，解決了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)起動(dòng)困難的問(wèn)題，適用于直噴式或非直噴式柴油機(jī)。這種電熱塞是當(dāng)今最先進(jìn)、最理想的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置。日本原子能研究所和三菱重工業(yè)公司研制成功了一種新的粗制泵，泵殼內(nèi)裝有由11個(gè)Si3N4 陶瓷轉(zhuǎn)盤(pán)組成的轉(zhuǎn)子。由于該泵采用熱膨脹系數(shù)很小的Si3N4 陶瓷轉(zhuǎn)子和精密的空氣軸承，從而無(wú)需潤(rùn)滑和冷卻介質(zhì)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果將這種泵與超真空泵如渦輪---分子泵結(jié)合起來(lái)，就能組成適合于核聚變反應(yīng)堆或半導(dǎo)體處理設(shè)備使用的真空系統(tǒng)。

以上只是Si3N4 陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，相信隨著Si3N4 粉末生產(chǎn)、成型、燒結(jié)及加工技術(shù)的改進(jìn)，其性能和可靠性將不斷提高，氮化硅陶瓷將獲得更加廣泛的應(yīng)用。由于Si3N4 原料純度的提高，Si3N4 粉末的成型技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，Si3N4 正在作為工程結(jié)構(gòu)陶瓷，在工業(yè)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。Si3N4 陶瓷具有優(yōu)異的綜合性能和豐富的資源，是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)，世界各國(guó)都在競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)。陶瓷材料具有一般金屬材料難以比擬的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化性、抗熱沖擊及低比重等特點(diǎn)。可以承受金屬或高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷工作環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。成為繼金屬材料、高分子材料之后支撐21世紀(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，并成為最為活躍的研究領(lǐng)域之一，當(dāng)今世界各國(guó)都十分重視它的研究與發(fā)展，作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷家族中重要成員之一的Si3N4 陶瓷,較其它高溫結(jié)構(gòu)陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有更為優(yōu)異的機(jī)械性能、熱學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性. 因而被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中最有應(yīng)用潛力的材料。

可以預(yù)言，隨著陶瓷的基礎(chǔ)研究和新技術(shù)開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)步，特別是復(fù)雜件和大型件制備技術(shù)的日臻完善，Si3N4 陶瓷材料作為性能優(yōu)良的工程材料將得到更廣泛的應(yīng)用。