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氮化硅陶瓷工艺技术

发布时间:2020-09-21
  利用气相反应生成纳米颗粒,如能使颗粒有效而且致密地沉积到模具表面,累积到一定厚度即成为制品,或者先使用其它方法制成一个具有开口气孔的坯体,再通过气相沉积工艺将气孔填充致密,用这种方法可以制造各种复合材料。由于固相颗粒的生成与成形过程同时进行,因此可以避免一般超细粉料中的团聚问题。在成形过程中不存在排除液相的问题,从而避免了湿法工艺带来的种种弊端。
  氮化硅陶瓷无压烧结
  无压烧结指在正常压力(0.1MPa)下,将具有一定形状的陶瓷素坯经高温煅烧,物理化学反应制成致密、坚硬、体积稳定,具有一定性能的固结体的过程。相对于“热压”和“气氛加压”而言,烧结是在无外加驱动力,保持在MPa 的某种气氛(如空气,氢气,氩气和氮气等)下进行的。烧结驱动力源于自由能的变化,即粉末表面积减少,表面能下降。无压烧结过程中,物质传递可通过固相扩散或蒸发凝聚来进行。气相传质需要把物质加热到足够高的温度,形成足够高的蒸气压,对一般陶瓷材料作用较小。靠固相烧结无法致密的陶瓷材料,可添加适量烧结助剂,在高温下生成液相,通过液相传质来烧结。无压烧结所得材料的性能相对于热压工艺的要低。但工艺简单,设备容易制造,成本低,适于制备复杂形状的陶瓷制品和批量生产。
  为了降低氮化硅材料的成本,运用便宜的低纯度β-Si3N4粉末,通过无压烧结制备了氮化硅陶瓷材料,发现β-Si3N4粉末具有很好的烧结性能,得到由柱状颗粒和小球状颗粒形成的嵌套结构,结构组成比较均匀,没有晶粒的异常生长,所得材料的抗弯强度为587M Pa,韧性达到5.3M Pa*m1/2,说明可在一般条件下使用。
  目前氮化硅陶瓷材料研究的一个重要课题是研究在成本合理的条件下能够获得高强度和高密度的生产方法。热压和热等静压烧结可生产出强度和密度足以满足多种用途的制品,但它们只能生产形状较简单的制品,或者要求必须使用先进的封装方法,如包套等,但是费用较昂贵;反应烧结法虽然可满足成本要求,但产品孔隙度高,具有较低的抗弯强度和抗氧化性。作为实用价值较大的一种方法,氮化硅陶瓷的无压烧结正日益受到重视,它可以经济、批量地制造各种产品,与过去的几年相比,无压烧结氮化硅陶瓷的性能已有了很大程度的提高[12-14],这就使氮化硅陶瓷得到广泛应用。氮化硅具有强共价键结构,它的烧结非常困难,要想采用无压烧结的工艺达到一定的性能要求有相当的难度。氮化硅材料即便在高温下,氮和硅的体扩散系数也很小,与此同时在1600℃以上,氮化硅就会明显分解,如果不采取一些特殊的措施就很难使氮化硅陶瓷得到致密化。无压烧结氮化硅陶瓷的关键在于烧结助剂的选择,对此人们已经做了大量的研究工作,并且取得了很大的进展。
  陶瓷材料的成型是将制备好的坯料采用各种不同的工艺方法制成具有一定形状和尺寸的坯件。成型工艺技术不仅直接影响到坯体的质量,而且间接影响到后续加工的质量甚至成品的质量。常用的成型方法有干压成型、热压注成型、冷等静压成型、挤制成型、注浆成型、轧膜成型、热压成型和流延成型等。
  干压成型是陶瓷生产中常用的一种坯体成型方法,指将直径在1mm以下含水量为2%—12%的粉料加少量粘合剂造粒,然后装入模具中,在压力机上加压,使粉料在模具内相互靠近,并借内摩擦力牢固的结合,形成一定形状的坯体。干压成型方法所用坯料的含水量一般控制在4%—8%左右,含水量较低的为干压成型,较高的为半干压成型。干压成型用料的流动性较差,可加入粘合剂,其坯体的干燥收缩小,尺寸精度高。适用于成型简单的瓷件,如圆片形等,对模具质量的要求较高。该方法生产效率高,易于自动化,制品烧成收缩率小,不易变形。干压常用粘合剂主要有聚乙烯醇(PVA)水溶液、石蜡、亚硫酸纸浆废液等。通常配料中黏合剂的加入量为:聚乙烯醇水溶液3%—8%、石蜡8%左右、亚硫酸纸浆废液10%左右。干压成型是利用模具在泊压机上进行的。干压成型的加压方式有单面加压和双面加压两种,直接受压一端的压力大,坯体密度大,远离加压一端的压力小,密度小。金属填料的双面加压时坯体两端直接受压,两端密度大,中间密度小。造粒并加润滑剂时,双面加压的示意图显示,坯体密度非常均匀。成型压力的大小直接影响资体的密度和收缩率。由于本实验所制样品为片状,形状简单,所以采用干压成型的方法。
  氮化硅陶瓷应用及用途
  高韧性的层状Si3N4基复合材料,主层内加入一定量的SiC晶须,产生两级增韧效果,层状氮化硅陶瓷的断裂韧性可达20.11MPa·m1/2。 4Si3N4陶瓷的应用 由于Si3N4陶瓷的优异性能,它已在许多工业领域获得广泛应用。如:在机械工业中用作涡轮叶片、机械密封环、高温轴承、高速切削工具、永久性模具等;冶金工业中用作坩埚、燃烧嘴、铝电解槽衬里等热工设备上的部件;化学工业中用作耐蚀、耐磨零件包括球阀、泵体、燃烧器、汽化器等;电子工业中用作薄膜电容器、高温绝缘体等;航空航天领域用作雷达天线罩、发动机等;原子能工业中用作原子反应堆中的支承件和隔离件、核裂变物质的载体等。 Si3N4陶瓷具有优异的综合性能和丰富的资源,是一种理 想的高温结构材料,具有广阔的应用领域和市场,世界各国都在竞相研究和开发。可以预言:随着陶瓷的基础研究和新技术开发的不断进步,特别是复杂件和大型件制备技术的日臻完善,Si3N4陶瓷材料作为性能优良的工程材料将得到更广泛的应用。