最新6-氮化物陶瓷解析教学讲义PPT.ppt

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1、6-氮化物陶瓷解析氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料。该陶瓷于19世纪80年代发现，20世纪五十年代获得较大规模发展。中国是在七十年代初开始研究，到八十年代中期已取得一定成绩。该材料具有高的室温和高温强度、高硬度、耐磨蚀件、抗氧化性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良、最有希望替代镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新材料。因此近二、三十年来颇受青睐和重视。Si3N4的晶体结构氮化硅是共价键化合物。它有两种晶型：针状的α氮化硅和颗粒状的β氮化硅。它们均属于六方晶系。氮化硅的晶体结构为Si原于和周围的4个N原子形成共价键，构成

2、[SiN4]四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成四维空间网络。正是由于[SiN4]四面体结构单元的存在，氮化硅具有较高的硬度。不同烧结工艺制备氮化硅陶瓷氮化硅是共价键很强的化合物，离子扩散系数很低，因此很难烧结。氮化硅陶瓷的烧结方法主要有：反应烧结法、热压烧结法、无压烧结法、气压烧结法、反应结合重烧结法和热等静压烧结法等。反应烧结氮化硅：边反应边烧结，因此控制生坯密度和氮化工艺是获得性能优良制品的关键。烧结前后坯体尺寸变化很少(线收缩约为1%左右)。烧结过程中不发生一般烧结过程中的收缩现象。此法可用来制造复杂形状制品。但是制品内包含了15-30%的气孔，因此材料力学性能比其他致密烧

3、结工艺的低。热压烧结氮化硅：反应烧结氮化硅的密度只能达到2.2-2.7g/cm3。使得制品的强度较低。在要求密度和强度较高的情况下，则需要采用热压烧结制备工艺。热压烧结的温度一般在1650-1820℃之间，压力为15-30MPa，保温保压60-240min。具体工艺参数依据选择的烧结助剂体系。整个烧结过程都在N2保护气氛下进行。加热方法可以采用感应加热或石墨电极发热。为了避免石墨模具与样品在高温下发生反应，样品在烧结后易于脱模，往往采用固体高温润滑剂(例如BN)涂于模壁四周与样品接触的部位。热压工艺的特点是样品致密，基本上达到理论密度，但受工艺条件限制，仅能制备形状简单样品，难于批量

4、化生产，制品价格昂贵。无压(常压)烧结氮化硅：无压烧结法以含添加剂的氮化硅粉末压块(或反应烧结氮化硅坯体)在粉末床中进行高温烧结(N2气氛)而致密化。该工艺是一种制备复杂形状、适宜批量生产氮化硅制品的方法。由于烧结时没有外加驱动力，是靠粉体表面张力作为烧结动力，因此必须采用高比表面的粉体和添加较多的烧结助剂。由于近十多年内工艺改进和完善，无压绕结氮化硅材料性能有了很大提高，特别是在室温强度方面，有可能接近热压氮化硅水平。气压烧结(gaspressuresintering)氮化硅气压烧结法是针对无压烧结工艺的不足之处而发展起来的一种制备高性能氮化硅材料的工艺。特点是在高温下烧结时，通过

5、气体N2加压，抑制氮化硅分解，从而可以在更高温度下进行烧结。虽然较高的N2压力可以抑制氮化硅分解，有利于提高制品的均匀性和可靠性，但烧结设备属高压容器，价格比较贵。氮化硅陶瓷应用由于氮化硅陶瓷的优异性能，它已在许多工业领域获得广泛的应用，并右许多潜在的用途。氮化硅基陶瓷刀具：Si3N4陶瓷作为刀具材料，具有以下优良性能:(1)高硬度。Si3N4陶瓷刀片的室温硬度值达到莫氏硬度9级，大大提高了切削能力和耐磨性。(2)高强度。Si3N4陶瓷刀片的抗弯强度目前可达900－1000MPa，其抗压强度也与普通硬质合金相当。(3)高耐热性和抗氧化性。Si3N4陶瓷刀具的高温性能特别好，在1000

6、℃强度几乎不下降，即使在1200－1450℃切削高温下仍保持一定的硬度、强度进行长时间切削。(4)高抗热震性。抗热震性是指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。Si3N4陶瓷刀具具有较高的抗弯强度、较高的导热率，低的热膨胀系数，中等的弹性模量，所以其抗热震性好、因而在高强度断续零件的毛坯加工方面，显示出独特的优越性能。氮化硅陶瓷轴承：用氮化硅材料制成的陶瓷轴承球，具有密度低、耐高温、耐腐蚀、绝缘、绝磁及自润滑性能好等优点，特别适合于制造陶瓷球混合轴承的滚动体，广泛应用于高速电主轴、精密机床、化工泵、电子产品、电加工设备及冶金等领域。氮化硅陶瓷球轴承有两种形式。一种是滚

7、珠(球)为陶瓷材料，内外圈仍为轴承钢制造，称为混合式球轴承;另一种是滚珠和内外圈都为陶瓷材料，称为全陶瓷球轴承。通常用于制造陶瓷球轴承的陶瓷材料为热压氮化硅(Si3N4)。混合式球轴承全陶瓷球轴承氮化硅陶瓷发动机陶瓷发动机的开发研制是高温结构陶瓷研究的主要目标及最重要的应用。发动机的零、部件一般是在高温、高速运转等苛刻的工况条件下运作，普通的金属材料或高分子材料难以满足要求，即使高温合金使用温度也不能超过1050℃，而且效率较低。而Si3N4陶瓷发动机则具