材料合成工艺与设计

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'材料合成工艺与设计'
《材料合成工艺与设计》期末课程论文课程名称:氮化硅陶瓷材料的合成工艺学院: 材料与化工学院 姓名: 符德武 专业: 材料科学与工程专业学号: 20090413310007 指导老师: 陈永 完成日期: 2012年6月20日氮化硅陶瓷材料的合成工艺目录一、 引言 (1)二、 氮化硅陶瓷的相关知识 (2)2.1氮化硅的结构 (2)2. 2氮化硅陶瓷材料的性能 (3)2. 3氮化硅陶瓷的应用领域 (4)2. 4氮化硅陶瓷的研究进展和发展趋势 (5)2. 4. 1氮化硅陶瓷的研究进展 (5)2. 4. 2氮化硅陶瓷的发展趋势 (7)三、 氮化硅陶瓷材料的工艺流程及方案设计说明 (8)3.1工艺设计的目的 (8)3. 2合成的工艺流程 (8)3. 2. 1工艺流程图 (8)3.2.2各环节工艺流程说明 (9)3. 2. 2. 1制备氮化硅粉体 (9)燃烧合成氮化硅粉体的理论依据 (9)设备仪器 (12)原料与配比 (13)粉体制备过程 (14)3. 2. 2.2.成型 (15)成型要求及任务 (15)湿法成型 (15)设备 (17)3. 2. 2.3.烧结 (17)烧结工艺简介 (17)烧结设备 (18)特种陶瓷后续加工的必要性 (18)特种陶瓷后续加工的特殊性 (19)陶瓷的超声波加工 (19)装置 (20)四、 物料衡算及热量衡算 (22)4.1物料衡算及热量衡算 (22)4. 2干燥过程的物料衡算及热量衡算 (24)4.2. 1物料衡算 (25)4. 2.2热量衡算 (25)五、 实验室或车间的布置 (25)5.1设备布置的原则 (26)5. 2生产车间布置图 (27)六、 设计课程评述及小结 (29)七、 主要参考文献 (30)一,引言高温结构陶瓷材料具有优良的机械力学性能、耐磨、耐腐蚀、隔热、抗热冲 击及低比重等特点,可以承受余属或高分于材料难以胜任的严酷工作环境,具有 广泛的应用前景,成为继金属材料、高分于材料之后支撑木世纪支柱产业的关键 基础材料,并成为最为话跃的研究领域之一,当今世界各国都十分重视它的研究 与发展。作为高温结构陶瓷家族中重要成员之一的氮化硅陶瓷,较其它高温结构 陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等只有更为优异的机械性能、热力学性能及化学 稳定性,因而被认为是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料。二次大战结束后, 科学技术发展迅速,原子能、火箭、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要 求。迫使入们去寻找比耐热冶金更能承受高温。比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的 材料。氮化硅的岀色表现。激起了人们对它的热情和兴趣。本世纪60年代。英法 的一些研究机构和大学率先开始对氮化硅陶瓷进行系统研究,深入认识它的结 构、性能,探索烧结方法,开拓应用领域。从60年代到70年代,氮化硅陶瓷的研 究开发工作相继在世界各国开展起来,到了80年代,氮化硅陶瓷制品己经开始向 产业化、实用化迈进了。使氮化硅具有其它材料不可比拟的优异性能,近年来, 人们对氮化硅陶瓷的研究深度与力度不断加大。制备高纯、超细的氮化硅粉体新 方法不断涌现外,人们更多地致力于开展先进实用的成型工艺及烧结工艺技术研 究,以使氮化硅制品能够在某些高技术领域实用化并进一步工业化生产。氮化硅陶瓷的成型主要以压力、可塑、浇注等方式进行,并辅助以机械加工 等。儿乎所有陶瓷传统的或近年来发展起来的成型方法,都可以用到氮化硅陶瓷 成型上。随着高性能陶瓷的应用与研究日益活跃,尤其是高性能氮化硅陶瓷的逐 步产业化,传统的成型方法如半干压、泣浆等己不能完全满足各行业对氮化硅陶 瓷用途、制品形状、成本等多方问要求,为扩大氮化硅部件应用范围,减少机械 加工量,新的成型工艺不断涌现,以制备形状复杂的、近净尺寸的、高性能的氮 化硅制品。二,氮化硅陶瓷的相关知识2. 1 Si3N4的结构氮化硅的抗氧化温度达到1400° C,并且在1200° C具有最高的强度。氮化硅 有两种晶型,从晶体结构来讲,a-Si3N4和B-SijN4两者都是六方晶体结构。 a-Si3N4晶胞组成为Sil2N16;其堆垛次序为ABCDABCD-; B-S13N4晶胞组成为 Si6N&堆垛次序为ABAB-o两者都是[siN4]4-体共用顶角构成的三维空间网格。 Jack指出,B相是由几乎完全对称的六个[STN4J4-O体组成的六方环层在c轴方向 的重叠而成,而a相是由两层不同,而且有形变的非六方环层重叠而成,如图1?1 和].2o图1.2 E?SiN的晶体结构凶a相结构的内部应变比B相大,故自由能比B相高,因此它们存在着同素异构 体的转变。在有添加剂存在的情况下,在16504°C?1800°C左右,a-Si3N4可以转 变为B-SijN4o因而人们曾认为,a相和B相分别为低温相和高温相两种晶型,但 随着深入的研究,很多现象不能用高、低温两种晶型来解释。最明显的是低于相 变温度的反应烧结si3M中,a相和B相几乎同时岀现,最后B相占10%?40%。经 研究表明:a相一B相是重建式转变,认为a相和B相除了在结构上有对称性高低的 差别外,并没有高低温之分,B相只不过是在温度上是热力学稳定的。a相对称性 低,容易形成。在高温下a相发生重建式转变, 转变为B相,某些杂质的存在有利于3相一B相的 转变。同时,无定型氮化硅的化学势能比晶态 氮化硅高,在较高温度下,无定型的氮化硅也 能转化为晶态氮化硅。相对于晶体氮化硅而言, 无定型的氮化硅粉的致密度低,比表面大,孔隙率高,即颗粒内部存在着大量的 气孔,悬空键就在气孔的表面上,从化学角度来看是不稳定的,容易吸附外來原 予而引起化学反应。两个相的晶格常数及密度的数据列于表1?2,从表中可以看 出,a相和B相的晶格常数相差不大,但a相的晶格常数C约为B相的两倍。这两个 相的密度儿乎相等,在相变过程中不会引起体积的变化。在1个大气压下,1900°C 左右,si3N4分解。Si-N间以共价键结合,键合强度高。用x衍射分析方法测。a 相和B相的平均热膨胀系数分别为3, 0X10' -6/°C和3. 6X10=6/9。a相和B 相的显微硬度分别为16—lOGPa和32. 65—24?50GPa表1?2 SbN。的晶格常数及密度闵相品格常数?(A )单位晶胞分? 子数计算密度总,aca -Si3N47.748 + 0.0015.617±0.00l43.184B -Si3N47.608 ±0.0012.910 ±0.000523.1872. 2氮化硅陶瓷材料的性能氮化硅陶瓷具有一系列的特征,即轻(比密度3?19):硬(维氏硬度?19GPa); 高强度(弹性摸量300 GPa);热膨胀系数小(?3?0x10 ‘6/°C)。氮化硅陶瓷的 高温蠕变小,特别是加入适量的Sic之后,抗
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