--現(xiàn)代陶瓷之結(jié)構(gòu)陶瓷

1、結(jié)構(gòu)陶瓷定義與分類結(jié)構(gòu)陶瓷定義與分類v 定義：所謂結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷，是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷。它具有高強(qiáng)度高強(qiáng)度、高硬度高硬度、高彈性模量高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震蝕、抗氧化、抗熱震等特性。v 分類：因結(jié)構(gòu)陶瓷往往在高溫下作為結(jié)構(gòu)材料使用，因而常稱之為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷或工程陶瓷工程陶瓷。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷大致可分為兩大類，一類是在大熱流和1500高溫下作短時間短時間(幾秒到幾十分鐘)使用，另一類是在中等熱流和1200以上的高溫下長時間長時間(幾百到數(shù)千小時)使用。前者用于如洲際導(dǎo)彈的端頭，回收人造衛(wèi)星的前緣，火箭尾噴管喉襯和航天飛機(jī)外蒙皮等

2、；后者主要用于能源工程，作為各種新型熱機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)、絕熱柴油機(jī))中的耐熱、耐磨部件：如燃燒室、活塞頂、蝸輪轉(zhuǎn)子、汽缸套等以及廣泛用于汽車、機(jī)械、石油化工、紡織等工業(yè)領(lǐng)域的耐熱、耐磨損、耐腐蝕部件，如各種泵用的密封材料、軸承及軸套等。 按組分分類，結(jié)構(gòu)陶瓷又可分為：按組分分類，結(jié)構(gòu)陶瓷又可分為：v (1)氧化物陶瓷，如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來石陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鈣陶瓷、氧化鈹陶瓷、鋯英石陶瓷等；v (2)氮化物陶瓷、如氮化硅陶瓷、賽龍(Sialon)、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷等；v (3)碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化鈦陶瓷、碳化硼陶瓷以及碳化鈾陶瓷v (4)硼化物陶瓷，如硼化鈦陶瓷、硼化

3、鋯陶瓷等。 由此可見，組成結(jié)構(gòu)陶瓷的元素，如硅、硼、碳、氧、氮、鋁均為地殼中含量最多的，這也是結(jié)構(gòu)陶瓷用作發(fā)動機(jī)部件，取代鎳、鈷、鉻等戰(zhàn)略金屬、顯示其生命力的地方。氧化物陶瓷氧化物陶瓷v氧化鋁陶瓷v氧化鋯陶瓷v氧化鎂陶瓷v氧化鈹陶瓷v其它氧化物陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷v氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁為主晶相的陶瓷材料，氧化鋁含量一般在7599.9%之間，通常習(xí)慣以氧化鋁的含量來分類。氧化鋁的含量在75%左右稱為“75瓷”，含量在85%左右稱作“85瓷”，含量在99%左右稱作“99瓷”。含量在99%以上的稱作剛玉瓷或純剛玉瓷。v氧化鋁有（剛玉型）、等11種變體，其中主要是、兩種晶型，而且只有一種熱力學(xué)

4、穩(wěn)定相，即氧化鋁。而氧化鋁是含堿的鋁酸鹽(R2O11Al2O3或RO6Al2O3)。它們的結(jié)構(gòu)各不相同。氧化鋁結(jié)構(gòu)圖氧化鋁結(jié)構(gòu)圖藍(lán)寶石藍(lán)寶石 藍(lán)色的藍(lán)寶石，是由于其中混有少量鈦（藍(lán)色的藍(lán)寶石，是由于其中混有少量鈦（Ti）和鐵（和鐵（Fe）雜質(zhì)所致；）雜質(zhì)所致； 紅寶石紅寶石紅色來自鉻紅色來自鉻(Cr) -Al2O3屬立方晶系, 尖晶石型結(jié)構(gòu)， 氧離子形成立方密堆積，Al3+填充在間隙中。-Al2O3的密度小，且高溫下不穩(wěn)定，加熱到11001200時，緩慢轉(zhuǎn)變成-Al2O3，到1450時這一過程才完成。伴隨著放熱32.8KJ/mol，體積收縮14.3%。 由于-Al2O3是松散結(jié)構(gòu)，機(jī)電性能差，

5、可以用它來做多孔材料。自然界沒有發(fā)現(xiàn)-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3礦物（Al2O3H2O或Al2O33H2O）經(jīng)加熱而成。氧化鋁粉體的制備氧化鋁粉體的制備v 拜耳法工業(yè)氧化鋁工業(yè)氧化鋁粉體的生產(chǎn)一般采用拜耳法。是由KJ Bayer(拜耳)所發(fā)明。它是將含鋁量高的天然礦物，如鋁礬土用酸法或堿法處理而得。堿法處理堿法處理是近代煉鋁工業(yè)中制造氧化鋁的主要方法。酸法生產(chǎn)很少使用，但能提取貧礦中的氧化鋁，因而是有發(fā)展前途的一種方法。v 高純度高純度氧化鋁粉體制備：是將高純度鋁鹽和金屬鋁分別熱解、氧化而制得的，主要有以下四種方法：1.銨明礬熱解法2.有機(jī)鋁鹽加水分解法3.鋁的水中放電分解法4.

6、鋁的銨碳酸鹽熱分解法高純度氧化鋁粉體制備Al2O3制品的強(qiáng)度、耐熱性和電絕緣性等許多性能隨雜質(zhì)含量的增加而劣化，因此在制品要求高強(qiáng)度和優(yōu)良透光性能時，必須采用高純度的Al2O3 粉末原料， 一般采用如下方法制?。?.銨明礬熱解法2.有機(jī)鋁鹽加水分解法3.鋁的水中放電分解法4. 鋁的銨碳酸鹽熱分解法Al2(NH4)2(SO4)424H2O Al2(NH4)2(SO4)4H2O +23H2O Al2(NH4)2(SO4)4H2O A12(SO4)3 SO3 2NH3+2H2O A12(SO4)3 Al2O33 SO3 -Al2O3 -Al2O3 200 600500900800h02511300。

7、例：硫酸鋁銨Al2(NH4)2(SO4)424H2O在空氣中熱分解制備Al2O3粉體：Al2O3陶瓷的制備陶瓷的制備v預(yù)燒與晶型轉(zhuǎn)變 Al2O3生產(chǎn)中預(yù)燒具有以下作用：使- Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的- Al2O3。這樣制品在燒成時的線收縮可以從22%降低為14%，或者體積收縮從53%降低為37%。煅燒后的Al2O3可能形成極細(xì)小的- Al2O3單晶顆粒。球狀A(yù)l2O3的脆性提高，易于研磨。預(yù)燒還可以排除原料中的雜質(zhì)Na2O，提高原料的純度，從而提高產(chǎn)品的性能。磨細(xì)與配料磨細(xì)與配料氧化鋁陶瓷的成型氧化鋁陶瓷的成型v 氧化鋁陶瓷成型的方法有許多種，依產(chǎn)品的形狀、大小、復(fù)雜性與精度等要求選用合適的成型

8、方式。最常用的方法有干壓法成型干壓法成型、注漿成型注漿成型、擠壓成型擠壓成型、冷等靜壓法成型冷等靜壓法成型（CIP),注射成型注射成型、流延成型流延成型、熱壓成型熱壓成型與熱熱等靜壓成型等靜壓成型(HIP)以及近幾年來新開發(fā)的壓濾壓濾成型成型、凝膠注成型凝膠注成型、固體自由成型制造技術(shù)固體自由成型制造技術(shù)等。燒燒 結(jié)結(jié)常見的幾種燒結(jié)工藝均可以常見的幾種燒結(jié)工藝均可以 用用 來制備來制備 氧化鋁氧化鋁 陶陶 瓷材料，不瓷材料，不同的方法所得材料具有不同的優(yōu)點(diǎn)。同的方法所得材料具有不同的優(yōu)點(diǎn)。 采用燒結(jié)助劑無疑是一采用燒結(jié)助劑無疑是一種比較好的燒結(jié)方法。種比較好的燒結(jié)方法。影響氧化鋁陶瓷燒結(jié)的因素

9、影響氧化鋁陶瓷燒結(jié)的因素v影響氧化鋁陶瓷燒結(jié)的因素主要是燒成工藝制度和氧化鋁粉體的性狀燒成制度：透明氧化鋁陶瓷透明氧化鋁陶瓷透明氧化鋁陶瓷的制備透明氧化鋁陶瓷的制備氧化鋁陶瓷的性能和應(yīng)用氧化鋁陶瓷的性能和應(yīng)用v 氧化鋁陶瓷的用途是十分廣泛的，根據(jù)氧化鋁含量不同，其性能不同，用途也各有差異。v 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高：氧化鋁燒結(jié)后的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa,熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa。氧化鋁的成分愈純，強(qiáng)度愈高。強(qiáng)度在高溫下可維持到900。利用氧化鋁陶瓷的這一性質(zhì)可以制成裝置瓷裝置瓷和其他機(jī)械構(gòu)件。氧化鋁裝置瓷氧化鋁裝置瓷v電阻率高，電絕緣性好電阻率高，電絕緣性好：氧化鋁的常溫電阻率約為1015cm

10、，絕緣強(qiáng)度15Kv/mm，利用其絕緣性和強(qiáng)度可制成各種基板、管座、火花塞和電路外殼等氧化鋁火花塞氧化鋁火花塞v 硬度高硬度高： 莫氏硬度為9，加上優(yōu)良的抗磨損性，所以廣泛地用以制造刀具、磨輪、磨料、拉絲模、擠壓模、軸承等。用A12O3陶瓷刀具加工汽車發(fā)動機(jī)和飛機(jī)零件時，可以以高的切削速度獲得高的精度。v熔點(diǎn)高，抗腐蝕：熔點(diǎn)高，抗腐蝕：氧化鋁的熔點(diǎn)為2050，能較好地抵抗一些熔融金屬的侵蝕，可用作耐火材料、爐管，熱電偶保護(hù)套等。v化學(xué)穩(wěn)定性好：化學(xué)穩(wěn)定性好： 許多復(fù)合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸不與A12O3作用。因此A12O3可以制備人體

11、關(guān)節(jié)、人工骨等生物陶瓷材料。v光學(xué)特性光學(xué)特性氧化鋁陶瓷可以制成用于高壓納燈的透明陶瓷燈管。鈉蒸氣放電可獲得一種高效率的光源。但是鈉蒸氣放電會產(chǎn)生超過1000的高溫，而且鈉是一種非?；顫姷慕饘?，有很強(qiáng)的腐蝕性，用玻璃制成的燈管無法耐受，而一時又找不到能在高溫下抵抗鈉蒸氣腐蝕的合適燈管材料。透明氧化鋁陶瓷的熔點(diǎn)高達(dá)2050，能在1600的環(huán)境里不受鈉蒸氣的腐蝕，而且可以通過95的光線。有了它，高壓鈉燈才在1960年呱呱墜地，并經(jīng)過不斷改進(jìn)，得到了實(shí)際應(yīng)用。除了高壓鈉燈外，透明陶瓷還適用于制造其他新型的燈具，如鉀燈、銣燈、銫燈、金屬鹵化物燈等高熔點(diǎn)高硬度可制成透明陶瓷無毒、不溶于水，強(qiáng)度高主要特性

12、主要用途坩堝剛玉球磨機(jī)高壓鈉燈的燈管水龍頭閥門芯 將氧化鋁陶瓷主要特性和主要用途一對應(yīng)并連線氧化鋁陶瓷的不足氧化鋁陶瓷的不足v氧化鋁陶瓷材料的脆性極大地限制了它的推廣應(yīng)用!為了減小脆性，除了采用先進(jìn)的制備工藝外，人們研究了許多增韌的手段。vZrO2相變增韌、納米技術(shù)增韌、晶須和纖維增韌、顆粒彌散增韌、復(fù)合增韌、表面改性增韌等。氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷v 氧化鋯陶瓷是新近發(fā)展起來的僅次于氧化鋁陶瓷的一種很重要的結(jié)構(gòu)陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的斷裂韌性高于氧化鋁陶瓷)，因而越來越受到人們的重視。v 純凈的ZrO2為白色粉末，含有雜質(zhì)時略帶黃色或灰色。氧化鋯有三種晶相，分別為單斜晶相、四方晶相和

13、立方晶相，三者之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系如下v 單斜ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO2會產(chǎn)生78%的體積收縮，而逆向轉(zhuǎn)變則會有相應(yīng)的體積膨脹，實(shí)際生產(chǎn)過程中一般采用添加穩(wěn)定劑（CaO、MgO、Y2O3、CeO2）的方法來制備氧化鋯陶瓷材料。ZrO2粉體的制備粉體的制備ZrO2粉體的穩(wěn)定化處理粉體的穩(wěn)定化處理氧化鋯陶瓷的制備氧化鋯陶瓷的制備v ZrO2陶瓷成型可采用注漿法或干壓法成型。注漿成型時，可向ZrO2細(xì)粉中加入少量的阿拉伯樹膠和20左右蒸餾水，具有良好的注漿性能漿料用熱壓法可制得透明ZrO2陶瓷。粉料中粗顆粒多，則體積收縮小，細(xì)顆粒多則產(chǎn)品致密度高，燒成溫度為1650-1800，保溫24小時。v 制備穩(wěn)定Z

14、rO2時，可采用電熔合成法(約1000)及高溫合成法(16001650保溫4小時)。電熔合成的ZrO2反應(yīng)完全，部分或全部為等軸固溶體。高溫合成的ZrO2 中還有一定量的單斜ZrO2。ZrO2陶瓷增韌機(jī)制陶瓷增韌機(jī)制v氧化鋯增韌機(jī)制有多種氧化鋯增韌機(jī)制有多種: 相變增韌 微裂紋增韌 彌散增韌 相變增韌相變增韌微裂紋增韌微裂紋增韌彌散增韌彌散增韌氧化鋯陶瓷性質(zhì)與應(yīng)用氧化鋯陶瓷性質(zhì)與應(yīng)用Y穩(wěn)定的TZP陶瓷由于具有良好的性能，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。v 磨介：磨介：YTZP相對于鋯珠、氧化鋁球、玻璃球和鋼球而言，其耐磨性最好，目前正逐步取代其他磨介，在涂料等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。用量最大的就是磨球，

15、國內(nèi)主要有深圳南玻深圳南玻等廠商在生產(chǎn)。工藝路線為干壓和等靜壓成形工藝，以等靜壓工藝為主。磨介市場非常廣闊，雖然普通的磨球市場已經(jīng)飽合，但是各種研磨罐、攪拌磨中的磨盤和磨頭等由于制備工藝相對復(fù)雜，仍主要以國外產(chǎn)品為主。v 切割應(yīng)用切割應(yīng)用：在特定的切割應(yīng)用中， YTZP占據(jù)了一定的市場份額，特別是對一些韌性和強(qiáng)度要求不是很高的場合， YTZP刀具得到了極大的發(fā)展。例如光纖剪刀、切紙刀、民用刀具和理發(fā)推剪等。其中發(fā)展比較成功的是京瓷京瓷的民用刀具，經(jīng)過近十年的發(fā)展已經(jīng)成為一個國際品牌。v 閥類應(yīng)用：這類應(yīng)用市場范圍廣泛。最典型的產(chǎn)品是氧化鋯水閥片氧化鋯水閥片。氧化鋯主要用于制作油田和化工行業(yè)中用

16、的球閥球閥等。國內(nèi)有深圳南玻等廠商在生產(chǎn)。工藝路線主要采用等靜壓工藝。這類產(chǎn)品加工和成品率非常重要，部件大，成品率對成本影響很大。v 陶瓷軸承：陶瓷軸承：在陶瓷軸承方面，氧化鋯陶瓷相對于氮化硅陶瓷并不是最好，其主要優(yōu)勢是成本較低?？捎糜诳垢g、避免污染的場合，如食品工業(yè)等。另外一個領(lǐng)域就是新開發(fā)的陶瓷風(fēng)扇陶瓷風(fēng)扇，這大大拓展了氧化鋯陶瓷軸承的應(yīng)用空間。富士通公司首先推出了陶瓷軸承風(fēng)扇，獲得了較好的市場響應(yīng)。軸芯全面采用軸芯全面采用3nm3nm氧化鋯氧化鋯 v 生物應(yīng)用：生物應(yīng)用：研究表明, 氧化鋯在人體口腔中無過敏現(xiàn)象, 在合理設(shè)計的前提下, 可保證使用50年年依然堅(jiān)固. 氧化鋯可以用于幾乎所

17、有的義齒設(shè)計中, 它使牙橋制做的長度不再有限制- 無論是螺栓固定式或粘接式。它 也是用于種植牙技術(shù)的最好材料。實(shí)際上, 氧化鋯全瓷牙已不再是單純的義意上的義齒, 它更適用于人們對美的越來越高的追求! 氧化鋯氧化鋯: 堅(jiān)如鋼堅(jiān)如鋼,白如雪白如雪! v 個人用品：個人用品：氧化鋯陶瓷耐磨性好，硬度高，可以拋光拋光且外觀美觀，因此可作為手表帶、表殼及其他裝飾部件。陶瓷表源于瑞士雷達(dá)表，后來國內(nèi)有優(yōu)尼克、潮州三環(huán)和北京建材院下屬公司等一些企業(yè)開始生產(chǎn)。目前主要生產(chǎn)表帶，以黑和白為主，藍(lán)、金和紅等其他顏色也已開發(fā)出來，制備工藝以熱壓鑄和干壓為主。v 光纖連接器用陶瓷：光纖連接器用陶瓷：光纖連接器與光纖跳

18、接線是光纖網(wǎng)路中應(yīng)用面最廣且需求量最大的光無源器件。但是目前國際上只有美日等發(fā)達(dá)國家有技術(shù)生產(chǎn)氧化鋯插芯和套筒，其毛坯生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)還是空白。陶瓷插芯毛坯由于內(nèi)含一個0.1mm的小孔，且對尺寸同心度的要求都很高，因此采用傳統(tǒng)的陶瓷材料成型方法難以制備，只有通過注射成型的方法才有可能。日本精工二氧化鋯陶瓷插芯日本精工二氧化鋯陶瓷插芯 套筒套筒氧化鈹陶瓷氧化鈹陶瓷v 氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。純氧化鈹(BeO)屬立方晶系。密度3.03g/cm3。熔點(diǎn)2570。具有很高的導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性，幾乎與純鋁相等，還有很好的抗熱震性。其介電常數(shù)67。最大缺點(diǎn)是粉末有劇毒劇毒性，且使接觸傷口難于愈合。

19、氧化鈹陶瓷制備氧化鈹陶瓷制備v 由于雜質(zhì)對氧化鈹陶瓷性能具有很大影響，因此需要制取高純的氧化鈹粉體。制備時以國產(chǎn)工業(yè)級氧化鈹粉體為主原料，經(jīng)物理除雜后，用酸溶解配制成鈹鹽水溶液。采用多次連續(xù)化學(xué)除雜工序去除溶液中所含W、Nb、Fe、Pb等20多種雜質(zhì)元素，再經(jīng)沉淀及煅燒制得平均粒徑為20nm、氧化鈹純度達(dá)99.18%以上的無強(qiáng)團(tuán)聚的近球形粒子氧化鈹粉體。v 氧化鈹陶瓷的制備一般分為冷壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%以下的MgO、TiO2、Fe2O3可以促進(jìn)氧化鈹?shù)臒Y(jié)。冷壓在100MPa下進(jìn)行，壓坯在1800下燒結(jié)10min，密度可達(dá)2.65g/cm3。熱壓壓力1.4MPa，溫度1800，

20、時間10min，密度達(dá)2.96g/cm3。氧化鈹陶瓷應(yīng)用氧化鈹陶瓷應(yīng)用v 氧化鈹陶瓷(BeO)因其具有高熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)高熔點(diǎn)(253010)、高強(qiáng)度、高絕緣性、高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗以及良好的工藝適應(yīng)性等特點(diǎn),在特種冶金、真空電子技術(shù)、核技術(shù)、微電子與光電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是在大功率半導(dǎo)體器件、集成電路、微波電真空器件及核反應(yīng)堆中，BeO一直是制備高導(dǎo)熱高導(dǎo)熱元部件的主流陶瓷材料。v 核技術(shù)材料：核技術(shù)材料：BeO具有高的中子散射截面,可以將核反應(yīng)堆中泄露出來的中子反射回反應(yīng)堆內(nèi),因而已經(jīng)被廣泛用作原子反應(yīng)堆中的中子減速劑(反射器)和防輻射材料此外，BeO

21、優(yōu)異的熱、紅外光學(xué)性能及熱激發(fā)射特性,使其適合用于熱熒光、外電子發(fā)射和電子順磁共振劑量計中的探頭。v 真空和電子材料：高的熱導(dǎo)率和低的介電常數(shù)是BeO材料在真空和電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用重要原因。BeO陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封裝微波封裝，BeO基片也已用于高電路密度的多片組件。采用BeO材料可以將系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量及時地散去,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。v BeO陶瓷還廣泛用于寬帶大功率的電真空器件中,如行波管的輸能窗、夾持桿和降壓收集極。低的介電常數(shù)和損耗有利于獲得很好的寬頻匹配特性,同時也可減少功率損失。高的導(dǎo)熱率可以將大功率器件中產(chǎn)生的熱量及時地傳導(dǎo)出去,從而能夠保證器件的穩(wěn)定性和

22、可靠性。與與Al2O3窗相比窗相比,BeO陶瓷可以承受大得多的連續(xù)波輸出功率。例如:BeO窗承受263 kW的輸出功率沒有損壞,而Al2O3窗在100 kW的輸出功率下即發(fā)生破裂。氮化物陶瓷氮化物陶瓷v 氮化物一般是以MxNy表示氮化合物。根據(jù)氮化物的物理性質(zhì)和鍵的特點(diǎn)，氮化物可分為非金屬氮化物和金屬氮化物。氮化硼和氮化硅屬非金屬氮化物。金屬氮化物中又可分成過鍍金屬氮化物和非過渡金屬氮化物。過鍍金屬氮化物有氮化鈦、氮化鉬和氮化鎢等。氮化鋁屬非過渡金屬氮化物。本節(jié)主要介紹氮化硅、賽龍、氮化鋁、氮化硼等氮化物陶瓷。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷v 氮化硅陶瓷是一種先進(jìn)的工程陶瓷材料。該陶瓷于19世紀(jì)80年代

23、發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)五十年代獲得較大規(guī)模發(fā)展。中國是在七十年代初開始研究，到八十年代中期已取得一定成績。該材料具有高的室溫和高溫強(qiáng)度、高硬度、耐磨蝕件、抗氧化性和良好的抗熱沖擊及機(jī)械沖擊性能，被材料科學(xué)界認(rèn)為是結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域中綜合性能優(yōu)良、最有希望替代鎳基合金在高科技、高溫領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的一種新材料。因此近二、三十年來頗受青睞和重視。Si3N4的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)v 氮化硅是共價鍵化合物。它有兩種晶型：針狀的氮化硅和顆粒狀的氮化硅。它們均屬于六方晶系。氮化硅的晶體結(jié) 構(gòu)為Si原于和周圍的4個N原子形成共價鍵，構(gòu)成SiN4四面體結(jié)構(gòu)單元，所有四面體共享頂角構(gòu)成四維空間網(wǎng)絡(luò)。正是由于SiN4四面體結(jié)構(gòu)

24、單元的存在，氮化硅具有較高的硬度。氮化硅陶瓷制備氮化硅陶瓷制備v 粉體制備：粉體制備： 氮化硅粉體都是人工合成的。大量研究表明，高質(zhì)量粉體是得到高性能陶瓷重要保證。作為制備高性能氮化硅材料所需的粉體必須具備:窄的顆粒尺寸分布，低的金屬雜質(zhì)含量(Fe, Ti等)和氧含量，價格低廉適中。v 硅粉直接氮化硅粉直接氮化：是制備氮化硅粉體最早發(fā)展的工藝，也是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。該法相對比較簡單，價格便宜，使用的原料是多晶硅或單晶硅。但此法生產(chǎn)限于間歇式，得到氮化硅粉是塊狀的，必須通過球磨才能得到細(xì)粉。常見氮化硅粉體制備工藝常見氮化硅粉體制備工藝不同燒結(jié)工藝制備氮化硅陶瓷不同燒結(jié)工藝制備氮化硅陶

25、瓷v 氮化硅是共價鍵很強(qiáng)的化合物，離子擴(kuò)散系數(shù)很低，因此很難燒結(jié)。氮化硅陶瓷的燒結(jié)方法主要有：反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、無壓燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法、反應(yīng)結(jié)合重?zé)Y(jié)法和熱等靜壓燒結(jié)法等。v 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅：反應(yīng)燒結(jié)氮化硅：邊反應(yīng)邊燒結(jié)，因此控制生坯密度和氮化工藝是獲得性能優(yōu)良制品的關(guān)鍵。燒結(jié)前后坯體尺寸變化很少(線收縮約為1%左右)。燒結(jié)過程中不發(fā)生一般燒結(jié)過程中的收縮現(xiàn)象。此法可用來制造復(fù)雜形狀制品。但是制品內(nèi)包含了15-30%的氣孔，因此材料力學(xué)性能比其他致密燒結(jié)工藝的低。v熱壓燒結(jié)氮化硅：熱壓燒結(jié)氮化硅： 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅的密度只能達(dá)到2. 2-2.7g/cm3。使得制品的強(qiáng)度較低。在要求密度和強(qiáng)

26、度較高的情況下，則需要采用熱壓燒結(jié)制備工藝。熱壓燒結(jié)的溫度一般在1650-1820之間，壓力為15-30MPa，保溫保壓60-240min。具體工藝參數(shù)依據(jù)選擇的燒結(jié)助劑體系。整個燒結(jié)過程都在N2保護(hù)氣氛下進(jìn)行。加熱方法可以采用感應(yīng)加熱或石墨電極發(fā)熱。為了避免石墨模具與樣品在高溫下發(fā)生反應(yīng)，樣品在燒結(jié)后易于脫模，往往采用固體高溫潤滑劑(例如BN)涂于模壁四周與樣品接觸的部位。熱壓工藝的特點(diǎn)是樣品致密，基本上達(dá)到理論密度，但受工藝條件限制，僅能制備形狀簡單樣品，難于批量化生產(chǎn)，制品價格昂貴。v 無壓無壓(常壓常壓)燒結(jié)氮化硅燒結(jié)氮化硅： 無壓燒結(jié)法以含添加劑的氮化硅粉末壓塊(或反應(yīng)燒結(jié)氮化硅坯體

27、)在粉末床中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)(N2氣氛)而致密化。該工藝是一種制備復(fù)雜形狀、適宜批量生產(chǎn)氮化硅制品的方法。由于燒結(jié)時沒有外加驅(qū)動力，是靠粉體表面張力作為燒結(jié)動力，因此必須采用高比表面的粉體和添加較多的燒結(jié)助劑。由于近十多年內(nèi)工藝改進(jìn)和完善，無壓繞結(jié)氮化硅材料性能有了很大提高，特別是在室溫強(qiáng)度方面，有可能接近熱壓氮化硅水平。v氣壓燒結(jié)氣壓燒結(jié)(gas pressure sintering)氮化硅氮化硅氣壓燒結(jié)法是針對無壓燒結(jié)工藝的不足之處而發(fā)展起來的一種制備高性能氮化硅材料的工藝。特點(diǎn)是在高溫下燒結(jié)時，通過氣體N2加壓，抑制氮化硅分解，從而可以在更高溫度下進(jìn)行燒結(jié)。 雖然較高的N2壓力可以抑制氮化硅

28、分解，有利于提高制品的均勻性和可靠性，但燒結(jié)設(shè)備屬高壓容器，價格比較貴。氮化硅陶瓷應(yīng)用氮化硅陶瓷應(yīng)用v 由于氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能，它已在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，并右許多潛在的用途。v 氮化硅基陶瓷刀具：氮化硅基陶瓷刀具：Si3N4陶瓷作為刀具材料，具有以下優(yōu)良性能: (1)高硬度。 Si3N4陶瓷刀片的室溫硬度值達(dá)到莫氏硬度9級，大大提高了切削能力和耐磨性。 (2)高強(qiáng)度。 Si3N4陶瓷刀片的抗彎強(qiáng)度目前可達(dá)9001000MPa，其抗壓強(qiáng)度也與普通硬質(zhì)合金相當(dāng)。 (3)高耐熱性和抗氧化性高耐熱性和抗氧化性。 Si3N4陶瓷刀具的高溫性能特別好，在1000強(qiáng)度幾乎不下降，即使在120014

29、50切削高溫下仍保持一定的硬度、強(qiáng)度進(jìn)行長時間切削。 (4)高抗熱震性?？篃嵴鹦允侵覆牧显诔惺芗眲囟茸兓瘯r，評價其抗破損能力的重要指標(biāo)。 Si3N4陶瓷刀具具有較高的抗彎強(qiáng)度、較高的導(dǎo)熱率，低的熱膨脹系數(shù)，中等的彈性模量，所以其抗熱震性好、因而在高強(qiáng)度斷續(xù)零件的毛坯加工方面，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性能。v 氮化硅陶瓷軸承：氮化硅陶瓷軸承： 用氮化硅材料制成的陶瓷軸承球，用氮化硅材料制成的陶瓷軸承球，具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、絕磁及自潤滑具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、絕磁及自潤滑性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于制造陶瓷球混合軸承的滾性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于制造陶瓷球混合軸承的滾動體，廣泛應(yīng)用于高

30、速電主軸、精密機(jī)床、化工泵、動體，廣泛應(yīng)用于高速電主軸、精密機(jī)床、化工泵、電子產(chǎn)品、電加工設(shè)備及冶金等領(lǐng)域。電子產(chǎn)品、電加工設(shè)備及冶金等領(lǐng)域。v 氮化硅陶瓷球軸承有兩種形式。一種是滾珠氮化硅陶瓷球軸承有兩種形式。一種是滾珠(球球)為陶為陶瓷材料，內(nèi)外圈仍為軸承鋼制造，稱為混合式球軸承瓷材料，內(nèi)外圈仍為軸承鋼制造，稱為混合式球軸承;另一種是滾珠和內(nèi)外圈都為陶瓷材料，稱為全陶瓷球另一種是滾珠和內(nèi)外圈都為陶瓷材料，稱為全陶瓷球軸承。通常用于制造陶瓷球軸承的陶瓷材料為熱壓氮軸承。通常用于制造陶瓷球軸承的陶瓷材料為熱壓氮化硅化硅(Si3N4)?；旌鲜角蜉S承混合式球軸承全陶瓷球軸承全陶瓷球軸承氮化硅陶瓷發(fā)

31、動機(jī)氮化硅陶瓷發(fā)動機(jī)v 陶瓷發(fā)動機(jī)的開發(fā)研制是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷研究的主要目標(biāo)及最重要的應(yīng)用。發(fā)動機(jī)的零、部件一般是在高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)等苛刻的工況條件下運(yùn)作，普通的金屬材料或高分子材料難以滿足要求，即使高溫合金使用溫度也不能超過1050，而且效率較低。而Si3N4陶瓷發(fā)動機(jī)則具有以下優(yōu)越性能：v 發(fā)動機(jī)的工作溫度可提高到12001650，并且無需水冷系統(tǒng)，可使發(fā)動機(jī)效率提高提高30%30%左右，而傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)材料一般為鎳基等耐熱合金，其工作溫度在1000左右，且需循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。v 工作溫度高，可使燃料充分燃燒，所排廢氣中的有害成分大為降低，從而降低了能耗，減少了環(huán)境污染。v Si3N4陶瓷的熱傳導(dǎo)率

32、比金屬低，使發(fā)動機(jī)的熱量不易散發(fā)，節(jié)省能源。v Si3N4陶瓷良好的高溫強(qiáng)度可改善發(fā)動機(jī)性能、延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。v 美國早在1982年就由CUMMINS公司研制出試驗(yàn)性無冷卻柴油發(fā)動機(jī)，現(xiàn)已研制出汽車、卡車、輪船用陶瓷發(fā)動機(jī)。日本政府也在1984年制成全陶瓷發(fā)動機(jī)，其熱效率達(dá)48%，節(jié)約燃料50% ,輸出功率提高30% ,而重量減輕了30% 。v 1991年，中國的陶瓷發(fā)動機(jī)汽車從上海到北京試開了一個來回，試用情況表明，這種發(fā)動機(jī)不必水冷卻并能大量節(jié)約汽油。 其他領(lǐng)域的應(yīng)用其他領(lǐng)域的應(yīng)用v 氮化硅陶瓷具有極其優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能，是制造各種易腐蝕部件的好材料。它能耐幾乎所有的無機(jī)酸(氫氟酸

33、除外)和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕。所以可用作制造增鍋、球閥、高溫密封閥、各類水泵的密封件等。v 氮化硅陶瓷還是一種很好的電絕緣材料，它的電絕緣性能可以和氧化鋁陶瓷相比。它還有透微波的性能，可以用作雷達(dá)天線罩。它的介電性能隨溫度的變化甚小，在高溫下至少可用到550。它的抗熱震性能在各類陶瓷中是比較優(yōu)越的，這使它可以在六個馬赫(即六倍于音速)，甚至于可在七個馬赫的飛行速度下使用，是制造火箭噴嘴和透平葉片的合適材料。氮化硅陶瓷的缺陷氮化硅陶瓷的缺陷v Si3N4結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有許多優(yōu)異的性能，但其致命的弱點(diǎn)就是其脆性脆性。它不象金屬那樣具有塑性變形的能力、具有可滑移的位錯系統(tǒng)，

34、當(dāng)外加能量超過一定的限度時，它只有以形成新的表面來消耗外加能量，即在陶瓷體內(nèi)形成新的裂紋表面導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。因此，改善和提高陶瓷材料的韌性韌性成為研究者共同關(guān)注的課題。目前，Si3N4結(jié)構(gòu)陶瓷的增韌途徑主要有顆粒增韌、晶須或纖維增韌、ZrO2相變增韌及柱狀Si3N4晶粒的自增韌等四種途徑。此外Si3N4陶瓷的制作成本相對較高，使其難以迅速推廣使用，應(yīng)積極研究Si3N4陶瓷的低成本制作途徑，加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。賽隆陶瓷賽隆陶瓷賽隆陶瓷的制備賽隆陶瓷的制備賽隆陶瓷的性能與用途賽隆陶瓷的性能與用途氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷v 氮化鋁是共價鍵化合物，屬于六方晶系，呈白色或灰白色。氮化鋁在2450下分解，在20

35、00以內(nèi)的高溫非氧化氣非氧化氣氛氛中，穩(wěn)定性很好，抗熱震件也好。氮化鋁的制備氮化鋁的制備氮化鋁的燒結(jié)氮化鋁的燒結(jié)v氮化鋁的燒結(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。氮化鋁用途氮化鋁用途氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷v 氮化硼陶瓷是一種以氮化硼為主的陶瓷。具有優(yōu)良的電絕緣性、耐熱性、耐腐蝕性、高導(dǎo)熱性，能吸收中子，高溫潤滑性和機(jī)械加工性好，是發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種氮化物陶瓷。v 利用BN的耐熱耐蝕性，可以制造高溫構(gòu)件、火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽的耐蝕件等。利用BN的絕緣性，可以用作各種加熱器的絕緣子、加熱管套管和高溫、高頻、高壓絕緣散熱部件。在電子工業(yè)中，用作制備砷化稼、磷化稼、磷化銦的坩堝以及半

36、導(dǎo)體封裝散熱底板等。在原子反應(yīng)堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。BN還是十分優(yōu)異的高溫潤滑劑和金屬成型脫膜劑，可以作為自潤滑軸承的組分。碳化物陶瓷碳化物陶瓷v 碳化物是一種最耐高溫最耐高溫的材料，以通式MxCy來表示，它的種類很多，但大致可劃分為金屬碳化物和類金屬碳化物。v 碳化物高溫結(jié)構(gòu)陶瓷通常是指：SiC, B4C,TiC, WC, ZrC、Cr3C2以及它們的復(fù)合材料。碳化物陶瓷的主要特性是具有高熔點(diǎn)高熔點(diǎn)，例如碳化鈦的熔點(diǎn)為3460 ,碳化鎢(WC)為2720、碳化鋯的熔點(diǎn)為3540。幾乎所有的碳化物陶瓷的熔點(diǎn)都很高。v 許多碳化物陶瓷均具有較高的硬度較高的硬度。例如碳化硼是僅次于金剛石和立方氮化硼的最硬材料，顯微硬度達(dá)到48.5GPa。v 碳化物陶瓷還具有良好的導(dǎo)電性導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性以及化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性。幾乎大多數(shù)碳化物陶瓷在常溫下不與酸反應(yīng)，個別金屬碳化物陶瓷即使加熱也不與酸起反應(yīng)，最穩(wěn)定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸與氫氟酸混合酸的腐蝕。因此，碳化物陶瓷可以作為耐熱材料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蝕材料，它們在國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，是極為重要的陶瓷材料之一。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷v 碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，又稱碳硅石，是一種典型的共價鍵結(jié)合的化合物，自然界幾乎不存