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關于氮化矽陶瓷工藝技術的簡述

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關于氮化矽陶瓷工藝技術的簡述

發布日期:2019-03-24 作者: 點擊:

氮化矽陶瓷氣相成形

利用氣相反應生成納米顆粒,如能使顆粒有效而且緻密地沉積到模具表面,累積到一定厚度即成為制品,或者先使用其它方法制成一個具有開口氣孔的坯體,再通過氣相沉積工藝将氣孔填充緻密,用這種方法可以制造各種複合材料。由于固相顆粒的生成與成形過程同時進行,因此可以避免一般超細粉料中的團聚問題。在成形過程中不存在排除液相的問題,從而避免了濕法工藝帶來的種種弊端。


氮化矽陶瓷無壓燒結

無壓燒結指在正常壓力(0.1MPa)下,将具有一定形狀的陶瓷素坯經高溫煅燒,物理化學反應制成緻密、堅硬、體積穩定,具有一定性能的固結體的過程。相對于“熱壓”和“氣氛加壓”而言,燒結是在無外加驅動力,保持在MPa 的某種氣氛(如空氣,氫氣,氩氣和氮氣等)下進行的。燒結驅動力源于自由能的變化,即粉末表面積減少,表面能下降。無壓燒結過程中,物質傳遞可通過固相擴散或蒸發凝聚來進行。氣相傳質需要把物質加熱到足夠高的溫度,形成足夠高的蒸氣壓,對一般陶瓷材料作用較小。靠固相燒結無法緻密的陶瓷材料,可添加适量燒結助劑,在高溫下生成液相,通過液相傳質來燒結。無壓燒結所得材料的性能相對于熱壓工藝的要低。但工藝簡單,設備容易制造,成本低,适于制備複雜形狀的陶瓷制品和批量生産。

為了降低氮化矽材料的成本,運用便宜的低純度β-Si3N4粉末,通過無壓燒結制備了氮化矽陶瓷材料,發現β-Si3N4粉末具有很好的燒結性能,得到由柱狀顆粒和小球狀顆粒形成的嵌套結構,結構組成比較均勻,沒有晶粒的異常生長,所得材料的抗彎強度為587M Pa,韌性達到5.3M Pa*m1/2,說明可在一般條件下使用。

目前氮化矽陶瓷材料研究的一個重要課題是研究在成本合理的條件下能夠獲得高強度和高密度的生産方法。熱壓和熱等靜壓燒結可生産出強度和密度足以滿足多種用途的制品,但它們隻能生産形狀較簡單的制品,或者要求必須使用先進的封裝方法,如包套等,但是費用較昂貴;反應燒結法雖然可滿足成本要求,但産品孔隙度高,具有較低的抗彎強度和抗氧化性。作為實用價值較大的一種方法,氮化矽陶瓷的無壓燒結正日益受到重視,它可以經濟、批量地制造各種産品,與過去的幾年相比,無壓燒結氮化矽陶瓷的性能已有了很大程度的提高[12-14],這就使氮化矽陶瓷得到廣泛應用。氮化矽具有強共價鍵結構,它的燒結非常困難,要想采用無壓燒結的工藝達到一定的性能要求有相當的難度。氮化矽材料即便在高溫下,氮和矽的體擴散系數也很小,與此同時在1600℃以上,氮化矽就會明顯分解,如果不采取一些特殊的措施就很難使氮化矽陶瓷得到緻密化。無壓燒結氮化矽陶瓷的關鍵在于燒結助劑的選擇,對此人們已經做了大量的研究工作,并且取得了很大的進展。


氮化矽陶瓷成型方法

陶瓷材料的成型是将制備好的坯料采用各種不同的工藝方法制成具有一定形狀和尺寸的坯件。成型工藝技術不僅直接影響到坯體的質量,而且間接影響到後續加工的質量甚至成品的質量。常用的成型方法有幹壓成型、熱壓注成型、冷等靜壓成型、擠制成型、注漿成型、軋膜成型、熱壓成型和流延成型等。

幹壓成型是陶瓷生産中常用的一種坯體成型方法,指将直徑在1mm以下含水量為2%—12%的粉料加少量粘合劑造粒,然後裝入模具中,在壓力機上加壓,使粉料在模具内相互靠近,并借内摩擦力牢固的結合,形成一定形狀的坯體。幹壓成型方法所用坯料的含水量一般控制在4%—8%左右,含水量較低的為幹壓成型,較高的為半幹壓成型。幹壓成型用料的流動性較差,可加入粘合劑,其坯體的幹燥收縮小,尺寸精度高。适用于成型簡單的瓷件,如圓片形等,對模具質量的要求較高。該方法生産效率高,易于自動化,制品燒成收縮率小,不易變形。幹壓常用粘合劑主要有聚乙烯醇(PVA)水溶液、石蠟、亞硫酸紙漿廢液等。通常配料中黏合劑的加入量為:聚乙烯醇水溶液3%—8%、石蠟8%左右、亞硫酸紙漿廢液10%左右。幹壓成型是利用模具在泊壓機上進行的。幹壓成型的加壓方式有單面加壓和雙面加壓兩種,直接受壓一端的壓力大,坯體密度大,遠離加壓一端的壓力小,密度小。金屬填料的雙面加壓時坯體兩端直接受壓,兩端密度大,中間密度小。造粒并加潤滑劑時,雙面加壓的示意圖顯示,坯體密度非常均勻。成型壓力的大小直接影響資體的密度和收縮率。由于本實驗所制樣品為片狀,形狀簡單,所以采用幹壓成型的方法。


氮化矽陶瓷應用及用途

高韌性的層狀Si3N4基複合材料,主層内加入一定量的SiC晶須,産生兩級增韌效果,層狀氮化矽陶瓷的斷裂韌性可達20.11MPa·m1/2。 4Si3N4陶瓷的應用 由于Si3N4陶瓷的優異性能,它已在許多工業領域獲得廣泛應用。如:在機械工業中用作渦輪葉片、機械密封環、高溫軸承、高速切削工具、永久性模具等;冶金工業中用作坩埚、燃燒嘴、鋁電解槽襯裡等熱工設備上的部件;化學工業中用作耐蝕、耐磨零件包括球閥、泵體、燃燒器、汽化器等;電子工業中用作薄膜電容器、高溫絕緣體等;航空航天領域用作雷達天線罩、發動機等;原子能工業中用作原子反應堆中的支承件和隔離件、核裂變物質的載體等。 Si3N4陶瓷具有優異的綜合性能和豐富的資源,是一種理 想的高溫結構材料,具有廣闊的應用領域和市場,世界各國都在競相研究和開發。可以預言:随着陶瓷的基礎研究和新技術開發的不斷進步,特别是複雜件和大型件制備技術的日臻完善,Si3N4陶瓷材料作為性能優良的工程材料将得到更廣泛的應用。

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