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氮化矽陶瓷對粉體的4點要求及粉體造粒的3種方式簡介

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氮化矽陶瓷對粉體的4點要求及粉體造粒的3種方式簡介

發布日期:2019-01-13 作者: 點擊:

氮化矽粉體是制備氮化矽陶瓷的關鍵原料,其性能是影響氮化矽坯體成型、燒結的關鍵因素,對最終氮化矽陶瓷産品的緻密度、力學性能等都具有重要影響。

1、氮化矽陶瓷對粉體的要求

(1)粒子的分散性高,均質性好

對于大多數工藝而言,均需要亞微米尺寸的粉體,即表面積為10-25cm2/g,這樣可制得高密度微粒結構材料。


(2)α-相含量

因為氮化矽陶瓷的燒結和結構形成過程與伴随的α-Si3N4→β-Si3N4相變有關,且這種變化是依據通過液相再結晶的機理發生的。雖然該項要求是公認的,但成功使用的氮化矽粉體還有非晶形成的,或含一些結晶相的。


(3)氧量可控

氧作為基本雜質以被吸附形式參與氮化矽粉體,還以覆蓋Si3N4粒子表面的SiO2和Si2N2O形式參與。氧的含量決定燒結時的液相量,并影響材料的相組成、結構和性能。


(4)金屬雜質和碳量極少

氮化矽粉體中存有鐵、鈣、鎂會降低燒結時的液相粘度,将最終密度增加1%-5%,但可促進Si3N4晶粒發育和陶瓷較粗粒結構的形成,降低機械應力作用下的高溫強度和加快變形速度。有碳參與會減少液相量并改變其組成,抑制燒結和促進結構凝聚。

關于氮化矽粉體種類對氮化矽陶瓷燒結及熱擴散率等性能的影響,清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室的彭萌萌等在實驗中以自蔓延高溫合成β-氮化矽粉和α-氮化矽粉為原料,添加稀土化合物和MgO複合燒結助劑,采用放電等離子燒結後高溫熱處理的方法制備氮化矽陶瓷,研究粉體種類對氮化矽陶瓷的燒結及熱導率等性能的影響。研究表明采用β-氮化矽粉體制備的氮化矽陶瓷的熱擴散率比采用相同工藝制備的α-氮化矽粉體氮化矽陶瓷高近20%,而抗彎強度則比α-氮化矽粉體氮化矽陶瓷低近50%。

氮化矽粉體對最終陶瓷制品的性能有重要影響,而氮化矽粉體的基本性能取決于其合成方法和初始反應劑的質量。下表是不同合成方法制得的氮化矽粉體的基本特性。


2、氮化矽粉體造粒的方式

除了合成方法的影響之外,在工程陶瓷的制備中,一般需要對原料粉體進行處理,即通過“造粒”,使原料粉體具有理想的形狀、大小以及合理的粒徑分布。粉體的造粒在氮化矽陶瓷的制備過程中尤為關鍵:為了保證氮化矽坯體的燒結活性需粒徑較小的原料粉體、過細的原料粉體又具有流動性差的問題、燒結助劑需均勻分散在氮化矽粉體中等重要問題,都需要通過原料粉體的造粒處理來解決。研究氮化矽粉體的造粒處理方法,分析各方法的特點及優缺點,并根據實際生産情況選取最佳的粉料處理方案對于高性能氮化矽陶瓷的制備具有重要意義。


(1)幹壓造粒

幹壓造粒是指将粉料通過模具成型,然後破碎、球化的過程。幹壓造粒的具體步驟為:預壓輸送→滾壓成型→破碎造粒。幹壓造粒具有造粒效率高、生産成本低等優點。特别地,與一些造粒方法,如噴霧造粒相比,幹壓造粒所需粘結劑含量非常低,這樣可以減少因為粘結劑導緻的燒結密度低,氣孔多的問題。


(2)冷等靜壓造粒

冷等靜壓造粒與幹壓造粒方法類似,同樣是将粉體置于一定壓力下成型,再破碎球化的造粒方法。區别在于陶瓷粉體放入特定模具後,再置于冷等靜壓設備中。冷等靜壓利用了液體介質不可壓縮的特點和均勻傳遞壓力的特點,可實現從各個方向對試樣進行均勻加壓,确保粉體各個方向所受到的壓強均勻且大小不變。粉體經過冷等靜壓工藝壓制成坯體,再通過破碎機破碎,過篩,完成造粒過程。

以上幹壓造粒和冷等靜壓造粒都屬于加壓造粒法。加壓造粒的優點是形成的團粒體積密度大,有利于提高坯體緻密度;添加的塑化劑等有機物含量少,後期處理簡單;設備和工藝簡單;加壓造粒的缺點是由于經過破碎機破碎,團粒的形狀難以控制,一般很難為理想的球形,且存在噪音和粉塵的問題,對操作人員的健康和生産線環境存在不利影響。


(3)噴霧造粒法

噴霧造粒是指将混合好的料漿直接噴霧到熱空氣中,快速幹燥并得到形狀規則的球狀粉粒的造粒方法。噴霧造粒工藝,可以避免料漿中各組份發生再團聚和沉降分離,可以保持料漿原有的均勻性并且得到的粒度分布均勻,流動性好。噴霧造粒工藝可實現連續自動化生産,可以提高生産效率,減少粉塵污染。應用噴霧造粒工藝顆粒形狀規則,有利于提高素坯的密度及均勻性,進而改善生坯燒結性能。

噴霧造粒方法通常采用離心式或壓力式噴霧造粒設備對混合後的氮化矽漿料實行邊攪拌邊造粒,從而使得氮化矽粉體均勻分布,從而提高氮化矽顆粒的球形度和粉料的流動性,并改善粉料的粒徑分布。噴霧造粒過程中溫度、壓力、供料速度以及攪拌時間、粘結劑的種類等因素對造粒後氮化矽粉料粒徑尺寸、分散性具有重要影響。

然而,噴霧造粒顆粒形貌不易控制,易出現空心、表面凹坑等缺陷。此外噴霧造粒所得的粉料通常需要進行有機物的燒除,确保有機物排除徹底以免影響氮化矽陶瓷的燒結性能,因此制定合理的排膠制度,并精确控制排膠過程十分重要。

相關标簽:氮化矽

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