特種陶瓷課件55氮化物陶瓷

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1、5.5氮化物陶瓷多數(shù)氮化物陶瓷的熔點都比較高，盡管氮化物的種類很多，但可作為材料應(yīng)用的也是有限的。氮化物陶瓷主要有氮化硅(Si3N4)、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氮化鈦（TiN）和賽隆陶瓷等。BN，Si3N4，AlN等在高溫下不出現(xiàn)熔融狀態(tài)，而是直接升華分解。氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使對于硬度很低的六方BN，當(dāng)其晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu)后則具有僅次于金剛石的硬度。和氧化物相比，氮化物抗氧化能力較差，從而限制了其在空氣中的使用。氮化物的導(dǎo)電性能變化很大，一部分過渡金屬氮化物屬于間隙相，其晶體結(jié)構(gòu)與原來金屬元素的結(jié)構(gòu)是相同的，氮則填隙于金屬原子間隙之中，它

2、們都具有金屬的導(dǎo)電特性。B、Si、Al元素的氮化物則由于生成共價鍵晶體結(jié)構(gòu)而成為絕緣體。一、氮化硅陶瓷（siliconnitrideceramics）1.基本特性?-Si3N4：低溫型，是針狀結(jié)晶體。β-Si3N4：高溫型，是顆粒狀結(jié)晶體。將高純硅在1200-1300℃下氮化，可得到白色或灰白色的?-Si3N4，而在1450℃左右氮化時，可得到β-Si3N4。?-Si3N4在1400-1600℃下加熱，會轉(zhuǎn)變成β-Si3N4。1900℃分解。Si3N4強度和韌性優(yōu)于SiC，但抗氧化性和高溫強度不及SiC。2.制備技術(shù)粉末合成：1Si的直接氮化3Si+2N2→Si3N4

3、2SiO2還原法3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO3熱分解法3Si(NH)2→Si3N4+2NH33Si(NH2)4→Si3N4+8NH34氣相合成法3SiCl4+16NH3→Si3N4+12NH4ClSi3N4粉末的合成方法燒結(jié)助劑：MgO、Al2O3、Y2O3燒結(jié)方法：常壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)3.性能與用途在Si3N4結(jié)構(gòu)中，氮原子與硅原子間的鍵力很強，因而，Si3N4具有許多優(yōu)異性能如耐磨、高硬度、高強度、耐化學(xué)腐蝕和很好的高溫穩(wěn)定性等。氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能對于現(xiàn)代技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境，具有特殊的使

4、用價值。因而使它在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用并有許多潛在的用途。（1）Si3N4陶瓷材料具有耐高溫耐磨性能，在陶瓷發(fā)動機中用于制備燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子、定子和渦形管；無水冷陶瓷發(fā)動機中，用熱壓Si3N4做活塞頂蓋；用反應(yīng)燒結(jié)Si3N4可做燃燒器，它還可用作柴油機的火花塞、活塞罩頂、汽缸套、副燃燒室以及活塞－渦輪組合式航空發(fā)動機的零件等。（2）Si3N4陶瓷材料的化學(xué)穩(wěn)定性很好，耐氫氟酸以外的所有無機酸和某些堿液的腐蝕，也不被鉛、鋁、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤與腐蝕。因此它可以被廣泛用于化工化學(xué)工業(yè)上的制備耐蝕耐磨零件，如球閥、密封環(huán)、過濾器、熱交換器部件、管道、觸媒載體等。

5、(3)Si3N4陶瓷材料具有耐磨性好、強度高、摩擦系數(shù)小的特點，彎曲強度比較高，硬度也很高，同時摩擦系數(shù)小，具有自潤滑性，摩擦系數(shù)小(只有0.1)。因此它可以被廣泛用于機械工業(yè)，如制造軸承、滾珠、滾柱、滾珠座圈、高溫螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。(4)Si3N4陶瓷材料的高溫電阻率比較高(1013?1014?·cm)，一方面可以作為較好的絕緣材料；同時還可以用于電子、軍事和核工業(yè)上，如開關(guān)電路基片、薄膜電容器、高溫絕緣體、雷達(dá)天線罩、導(dǎo)彈噴管、炮筒內(nèi)襯、核反應(yīng)堆的支承件等。(5)此外，Si3N4陶瓷還可用作熱機材料、切削工具、高級耐火材料等。陶瓷刀具陶瓷刀具工作狀

6、態(tài)不同刀具性能比較氮化硅軸承氮化硅軸承特點氮化硅粉陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子與葉片燃?xì)廨啓C陶瓷部件陶瓷的表殼表鏈二、氮化硼陶瓷BN有兩種晶型：立方BN和六方BN，在高溫高壓下六方BN可轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎紹N。立方氮化硼(CBN)：其結(jié)構(gòu)和性能與金剛石類似，其硬度僅次于金剛石，化學(xué)惰性比金剛石和硬質(zhì)合金好。CBN的主要用途是：切削刀具、磨具和磨料，可用于切削包括黑色金屬在內(nèi)全部金屬和非金屬，且可用于精加工。六方氮化硼(HBN)：其結(jié)構(gòu)和性能與石墨類似，又稱之為白石墨，是良好的高溫潤滑材料和高溫電絕緣材料。HBN與大多數(shù)金屬不反應(yīng)、不潤濕，可作為熔化和輸送金屬的坩鍋或管道?？芍圃旄邷亟Y(jié)構(gòu)部件，

7、如火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機的耐蝕件等。還可作為高溫、高頻、高壓絕緣的散熱部件，半導(dǎo)體封裝散熱底板，核反應(yīng)堆中的中子吸收和屏蔽材料。各種材料的硬度比較金剛石立方氮化硼碳化硼含釩高速鋼碳化硅碳化鎢氧化鋁硬質(zhì)合金高速鋼水晶淬火鋼硬度三、氮化鋁陶瓷基本特性與用途：AlN為六方晶型，密度3.26g/cm3，常壓下2450℃升華分解，莫氏硬度7~9。最大的特點是導(dǎo)熱率高，可達(dá)200W/m.K以上，熱膨脹系數(shù)小，強度高，電絕緣性能好，是理想的基片材料，用作高溫結(jié)構(gòu)件和換熱器等。燒結(jié)助劑：SiO2、Y2O3、CaO，在氮氣中于1800~1900