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氮化硅陶瓷的制备及进展.pdf
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氮化硅陶瓷的制备及进展
祝昌军 ,蒋 俊 ,高 玲 ,杨海涛
(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉 430070)
摘要 :本文着重介绍了氮化硅陶瓷的制备工艺 ,提高氮化硅陶瓷高温性能的方法 以及改善其断裂韧性
的途径 ,并展望了氮化硅陶瓷的研究前景。
关键词:氮化硅陶瓷;制备工艺;高温性能 ;断裂韧性
1 前言
氮化硅陶瓷由于具有高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震等优点,从而
在现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值。近年来,
国内外竞相对它进行研究和开发,使其应用范围不断扩大,但其高的制备成本、高温下性能
的降低和固有的脆性还是极大的限制了它的应用 。
2 氮化硅陶瓷的制备工艺
由于Si。N 是强共价化合物,扩散系数很小,致密化所必须的体积扩散及 晶界扩散速度
很小,烧结驱动力很小。这决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化,所以除用Si粉
直接氮化的反应烧结外,其他方法都需加入一定量助烧剂与 si。N 粉体表面的SiO 反应形
成液相,通过溶解——析出机制烧成致密材料。目前制备 si。N 陶瓷的方法主要有以下几
种 : ‘
2.1 反应烧结 (RS)
反应烧结氮化是把 si粉或 si粉与 si。N。粉的混合物成型后在 1200(2左右通氮气进行
预氮化,之后机械加工成所需件 ,最后在 1400C左右进行最终氮化烧结。在此过程中不需添
加助烧荆等 ,因此高温下材料强度不会明显降低。同时,反应烧结氮化硅具有无收缩特性 ,可
制备形状复杂的部件,但因制品致密度低 (70 ~90 ),存在大量气孔,力学性能受到较大
的影响。
2.2 常压烧结 (PLS)
常压烧结氮化硅是 以高纯、超细、高a相含量的氮化硅粉末与少量助烧剂混合,通过成
型、烧结等工序制备而成。在烧结过程中,a相向液相溶解,之后析出在B—si0。N.晶核上变
为 —si。N 晶核上变为 —si。N.,这有利于烧结过程的进行。烧结时必须通入氮气,以抑制
si。N.的高温分解。常压烧结可获得形状复杂、性能优 良的陶瓷,其缺点是烧结收缩率较大,
一 般为 16 ~26 ,易使制品开裂变形 。
2.3 重烧结 (PS)
将反应烧结的Si。N.烧结坯在助烧剂存在的情况下,置于氮化硅粉末中,在高温下重烧
结,得到致密的si。N。制品。助烧剂可在硅粉球磨时引入也可用浸溃的方法在反应烧结后浸
渗加入 。由于反应烧结过程 中可预加工,在重烧结过程中的收缩仅有 6 ~10 ,所 以可制
备形状复杂,性能优 良的部件。
2.4 热压烧结 (HP)
把氮化硅粉末与助烧剂置于石墨模具中,在高温下单向加压烧结。由于外加压力提高了
6
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烧结驱动力,加快了a—p转变及致密化速度 。热压烧结法可得到致密度大于 95 的高强氮
化硅陶瓷,材料性能高,且制造周期短。但是这种方法只能制造形状简单的制品,对于形状复
杂的部件加工费用高,而且 由于单向加压,组织存在择优取向,使性能在与热压面平行及垂
直方 向有差异 。
2.5 气压烧结 (GPS)
是把Si。N.压坯在 5~12MPa的氮气 中在 1800~2100C下进行烧结。由于氮气压力高,
从而提高了Si。N。的分解温度 ,有利于选用能形成高耐火度晶间相的助烧剂 ,来提高材料高
温性 能。
2.6 热等静压法 (HIP) .
将氮化硅及助烧剂的混合物粉末封装到金属或玻璃包套中,抽真空后通过高压气体在
高温下烧结。常用的压力为 200MPa,温度为 2000~2。热等静压氮化硅可达理论密度 ,但它
工艺复杂,成本较高。
近年来还发展了其他一些烧结和致密化工艺,如超高压烧结、化学气相沉积、爆炸成型
等。一些主要工艺制得制品的有关性能见表 1。 .
表 1 一些Si。N.陶瓷材料的性能
3 提高氮化硅高温性能的途径
通常在氮化硅陶瓷的
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