高技术陶瓷 - 第四次课 氮化物陶瓷.pdf

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1、n二战之后，科学技术发展迅速，原子能、火箭、燃氮化物陶瓷气轮机等高技术领域对材料提出了更高的要求，n迫使人们去寻求比耐热合金更能承受高温、比普通山东科技大学材料学院陶瓷更能抵御化学腐蚀的新材料。徐国纲n氮化硅陶瓷性能优异，激发了人们对它的热情和兴趣。12氮化硅陶瓷一、氮化硅陶瓷n高的室温强度和高温强度n地球上氮和硅的含量非常高n高硬度n空气中氮气含量约78.6％n耐磨蚀性好n地壳中硅是继氧后含量第二的元素（26.09％）n抗氧化性高n自然界中没有氮硅化合物n氮化硅为人工合成的新材料（1857年）n

2、良好的耐热冲击和机械冲击性能n在高温结构陶瓷领域，氮化硅陶瓷是综合性能最好、3Si+4NH3®Si3N4+6H2最有应用潜力和最有希望替代镍基合金并在高温领域获得广泛应用的新材料。19世纪80年代，人们已经制备出氮化硅块体材料341氮化硅结构氮化硅结构n氮化硅与氮和硅通过共价键连接，结构比较复杂，一般认为n1400~1600℃加热a-Si3N4会转变成b-Si3N4。但不能主要有说a相是低温晶型，b是高温晶型。nb-Si3N4，空间群为P63/m，六方晶格常数a=0.7608nm，n低温合成时两相

3、可同时存在c=0.2910nm,易形成长柱状结构n两种结构除有对称性高低差别外，并没有高低温之分！na-Si3N4，空间群为P31c,六方晶胞常数只不过a相对称性低，容易形成，b相在热力学上更a=0.7748~0.7765nm，c=0.5617~0.5622nm，易形成稳定！等轴状颗粒结构nγ相只有在高压及高温下，才能合成得到，它的硬度可达到35GPa。56氮化硅物理化学性质氮化硅物理化学性质1516n热学性质：属高温难熔化合物n电绝缘性－（电阻率：10～10W·cm）无熔点，常压下1900℃左右

4、分解，介电损耗小，抗击穿电压高抗高温蠕变能力强，不含粘结剂的反应烧结氮化硅负荷（受合成方式、游离Si、烧结助剂引入的杂质等影响）软化点可高达1800℃多。n化学稳定性：硅氮共价键结合，键能很高，生成焓很－6n热膨胀系数小，（2.8~3.2）×10/℃高－稳定的化合物n导热性好－（16.7W/(mK)）（1）抗氧化性－良好的抗热震性能（从室温～1000℃热冲击不会开裂）800℃以下干燥气氛中不与氧反应782氮化硅物理化学性质氮化硅物理化学性质800℃以上开始反应潮湿空气中，氮化硅受热200℃以上，即

5、可发生表面氧化作用SiN+3O®3SiO+2N34222SiN+6HO®3SiO+4NH34223反应在试样表面生成氧化硅膜，随温度升高氧化硅膜此反应生成的氧化硅是无定形的，不能形成致密保护逐渐变得稳定，膜，这个反应会不断缓慢进行。到1000℃左右形成致密氧化硅保护层，从而防止氮化另外氧化作用与氮化硅陶瓷的气孔和由添加剂形成的晶界相有很大关系，碱金属杂质会加快氧化反应。硅继续氧化。直到1400℃都基本稳定。不均匀部分及杂质会使局部氧化加快，形成凹坑，大大降低陶瓷强度。910氮化硅物理化学性质氮化硅

6、物理化学性质（2）抗熔融金属腐蚀性n对于合金熔液氮化硅对单质金属熔液（Al，Zn，Cd，Au，Ag，Sn，Pb，氮化硅对黄铜、硬铝、镍银等很稳定，对铸铁、中Bi，Ga，Ge，In）不浸润，不受腐蚀。碳钢等也有较好的抗蚀性，但不耐镍铬合金、不在真空或惰性气体中不受Cu腐蚀，有氧时氧化铜会与氮化锈钢等腐蚀.硅反应。（3）抗酸碱盐腐蚀性Mg、Si能将氮化硅润湿并微量侵蚀一般的酸碱对氮化硅不起作用（HCl，浓硝酸、王过渡元素熔液能强烈润湿氮化硅并与Si反应生成硅化物，水、磷酸以及温度小于80℃的85％以下

7、的硫酸、迅速分解氮化硅放出氮气25％以下的NaOH溶液）11123氮化硅物理化学性质氮化硅的力学性能n氢氟酸对氮化硅腐蚀明显n硬度n熔融NaOH等熔融碱和熔融盐对氮化硅腐蚀明显a-Si3N4－HV（15～20Gpa）b-SiN－HV（32～34Gpa）（压痕5~10n晶界性质对抗腐蚀性影响很大34微米）n对强辐射也是稳定的。莫氏硬度仅次于碳化硅、碳化硼、立方氮化硼和金刚石。1314氮化硅的力学性能氮化硅的力学性能n机械强度n可机械加工性随制备工艺和组织结构的不同而有较大幅度的变动。抗折强未烧结的高

8、压力等静压坯（如压力600Mpa）度在100～1200Mpa范围波动。可直接机械加工半烧结的素坯，可以用普通车床加工，再完全n断裂韧性烧结。较高（3～9Mpa·m1/2）四方氧化锆可达15，已烧结的陶瓷可以用金刚石砂轮切片，也可以铸铁、硬质合金（～30），比氧化铝、碳化硅高。精密研磨，表面粗糙度可达0.025微米（镜状光泽面）；0.006微米（镜面）n高温强度取决于晶界相。15164氮化硅陶瓷的制造方法氮化硅陶瓷的制造方法n原料粉的生成方法2）氧化硅还原氮化1）硅粉直接氮化1500