氮化硅陶瓷讲义.doc

氮化硅陶瓷及其制备成型工艺 氮化硅（Si3N4 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 Si3N4分子中Si原子和周围4个N 原子以共价键结合，形成[Si-N4]四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成三维空间网，形成Si3N4，有两种相结构，α相和β相如下图所示： α相结构 β相结构 其共价键长较短，成键电子数目多，原子间排列的方向性强，相邻原子间相互作用大。Si3N4存在两种由[Si-N4]四面体结构以不同的堆砌方式堆砌而成的三维网络晶形，一个是α-Si3N4，另一个是β-Si3N4。正是由于[Si-N4]四面体结构单元的存在，Si3N4具有较高的硬度。在β-Si3N4的一个晶胞内有6个Si原子，8个N 原子。其中3个Si 原子和4 个N原子在一个平面上，另外3个Si原子和4个N原子在高一层平面上。第3层与第1层相对应，如此相应的在C轴方向按ABAB…重复排列，β-Si3N4的晶胞参数为a=0.7606 nm，c=0.2909 nm。α-Si3N4中第3层、第4层的Si原子在平面位置上分别与第1层、第2层的Si原子错了一个位置，形成4 层重复排列，即ABCDABCD…方式排列。相对β- Si3N4 而言,α-Si3N4 晶胞参数变化不大，但在C 轴方向约扩大一倍（a=0.775nm，c=0.5618），其中还含有3%的氧原子以及许多硅空位，因此体系的稳定性较差，这使α相结构的四面体晶形发生畸变，而β相在热力学上更稳定。由于氧原子在α相中形成Si-O-Si离子性较强的的键，这使α 相中的[Si-N4]四面体易产生取向的改变和链的伸直，原子位置发生调整，使得α 相在温度达到1300 ℃以上时转变到β相，使其结构稳定。 氮化硅陶瓷的优异的性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有： (1)机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到1200℃不下降。 (2)热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到1000℃的热冲击不会开裂。 (3)化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF除外）和浓度在30％以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。 (4)密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。 2.重要的应用 氮化硅陶瓷的应用初期主要用在机械、冶金、化工、航空、半导体等工业上，作某些设备或产品的零部件，取得了很好的预期效果。近年来，随着制造工艺和测试分析技术的发展，氮化硅陶瓷制品的可靠性不断提高，因此应用面在不断扩大。特别值得赞赏的是，正在研制氮化硅陶瓷发动机，并且已经取得了很大的进展，这在科学技术上成为举世瞩目的大事。有关应用的主要内容有： (1)在冶金工业上制成坩埚、马弗炉炉膛、燃烧嘴、发热体夹具、铸模、铝液导管、热电偶测温保护套管、铝电解槽衬里等热工设备上的部件。 (2)在机械工业上制成高速车刀、轴承、金属部件热处理的支承件、转子发动机刮片、燃气轮机的导向叶片和涡轮叶片等。 (3)在化学工业上制成球阀、泵体、密封环、过滤器、热交换器部件、固定化触媒载体、燃烧舟、蒸发皿等。 (4)在半导体、航空、原子能等工业上用于制造开关电路基片、薄膜电容器、承受高温或温度剧变的电绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、原子反应堆中的支承件和隔离件、核裂变物质的载体等。 (5)在医学工程上可以制成人工关节。 (6)正在研制的氮化硅质的全陶瓷发动机代替同类型金属发动机。 今后的发展方向是：⑴充分发挥和利用Si3N4 本身所具有的优异特性；⑵在Si3N4?粉末烧结时，开发一些新的助熔剂，研究和控制现有助熔剂的最佳成分；⑶改善制粉、成型和烧结工艺； ⑷研制Si3N4 与SiC等材料的复合化，以便制取更多的高性能复合材料。Si3N4 陶瓷等在汽车发动机上的应用，为新型高温结构材料的发展开创了新局面。 利用Si3N4 重量轻和刚度大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具