先进陶瓷材料第七讲结构陶瓷材料(V)-非氧化物陶瓷材料.pptVIP

先进陶瓷材料 第七讲 结构陶瓷材料(V) 非氧化物陶瓷材料 氮化物陶瓷 其他非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷 赛隆陶瓷 氮化铝陶瓷 氮化硼陶瓷 氮化钛陶瓷 氮化物陶瓷材料 氮化物表示为：MexNy ( Me：金属元素) 氮化物的一般特征： 大部分为立方晶系和六方晶系 密度：2.5-16 高熔点：2000℃以上 高硬度：8-9（莫氏硬度） 电性能：导体或绝缘体 高温性能优异 氮化物陶瓷材料 典型氮化物的性质 氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷 氮化物陶瓷材料 氮化硅发展简史 氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料 c-Si3N4 — 立方尖晶石结构 1999年，德国人报导（15GPa， 2000℃合成） Nature c-Si3N4 计算性质 密度：3.873 （比?-Si3N4高20-30%） 弹性模量：300GPa（比?-Si3N4高20-30% ） 硬度：大于33GPa 仅次于立方氮化硼 金刚石—立方氮化硼—立方氮化硅 氮化物陶瓷材料 氮化硅性质 物理化学性质 1）外观：白色或灰白色粉体； 2）密度3.19±0.1 3）热学性质：高温难熔化合物，无熔点， 1900℃分解；高温承载能力高； 膨胀系数小；热导率高（1.59-155） 4）电绝缘性：电阻率 1015-1018 5）化学稳定性：抗氧化、抗熔融金属腐蚀 抗酸碱腐蚀。 氮化物陶瓷材料 力学性能 1）硬度：氮化硅碳化硼立方氮化硼金刚石 2）摩擦性能：磨擦系数低、自润滑性； 3）机械强度：100-1200MPa 与材料制备工艺及添加剂有关 4）断裂韧性：3-15MPa.m1/2 取决于材料组成、制备工艺 5）可机加工性： 可用金刚石工具精细加工 氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料 氮化硅的制备 没有天然矿物、原料人工合成 氮化硅陶瓷的制备工艺 氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料 硅粉处理 去除杂质（SiO2、K、Na等） 合成氮化硅的基本方法 1）硅粉直接氮化 Si + N2→ Si3N4 1200-1450℃ 10小时以上 ?-Si3N4含量不高、颗粒粗、粘结 2 ）碳热还原 3SiO2 + 6C + 2N2 → Si3N4 + CO2↑ 1400℃ 30小时 氮化物陶瓷材料 3）热化学气相反应 典型体系：硅烷与氨反应 3SiH4 + 16NH3 → Si3N4 + 12H2↑（高温） 3SiCl4 + 16NH3 → Si3N4 + 12NH4Cl(5-50℃) 日本UBE公司 UBE粉 粉体特点：颗粒分布窄 颗粒呈球状 纯度高 氮化物陶瓷材料 4）自蔓延法 Si + N2→ Si3N4 局部点燃后靠自身反应放热维持反应进行 相当于硅在氮气中燃烧 混合粉体 5）其它方法 热分解 激光诱导气相沉积等 氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷的烧结 反应烧结氮化 Si(s) + N2(g)→ Si3N4(s) 1200℃——预氮化 素坯加工 1100-1500℃充分氮化 → 反应烧结氮化硅陶瓷 优点：工艺简单、烧结收缩小（1%） 缺点：密度低（85%）、力学性能差 气孔率15-30% 氮化物陶瓷材料 高密度、高强度氮化硅陶瓷烧结 典型陶瓷材料的离子键性与共价键性比例 氮化物陶瓷材料 1）常压烧结氮化硅 引入适当添加剂 1700-1800℃保温2-4小时 材料相对密度95%左右 工艺简单 用途广 适合复杂产品 玻璃相