非氧化物陶瓷-氮化硅陶瓷.ppt

1,非氧化物陶瓷,2,非氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷，是由金属的碳化物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称。 是新型结构材料，特别是在耐热耐高温结构材料领域中，能够在以往氧化物陶瓷和金属材料无法胜任的条件下使用,3,非氧化物陶瓷的特点,(4)非氧化物陶瓷易氧化。 原料合成及陶瓷烧结都需要在无氧气氛(通常是氮气、氩气或真空气氛)中进行。烧成陶瓷后在使用过程中，由于具有一定的抗氧化性，而可在较高温度下使用。不同材料具有不同的抗氧化能力，其最高使用温度也依材料而异。在高温下使用发生氧化反应将影响材料的使用寿命。,(2) 发展历史相对比较短。比如50年代发现氮化物陶瓷具有很好的力学、热学和电学性能以后，它才日益受到人们的广泛关注和重视。,(1)非氧化物陶瓷一般是共价键很强、难熔的化合物。,(3)与氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷的原料在自然界中不存在，需人工合成，然后按照陶瓷工艺来做成各种陶瓷制品。,4,氮化硅（ Si3N4 ）的晶体结构,- Si3N4 颗粒状晶体 - Si3N4 长柱状或针状晶体 相同点：两者均同六方晶系， SiN4四面体共用顶角构成的三维空间网络. 不同点： - Si3N4 比- Si3N4 的对称性高； - Si3N4相为低温型， - Si3N4 为高温型,稳定性高,5, - Si3N4相为低温型， - Si3N4, - Si3N4在1400-1600下加热会转变成 - Si3N4 ，因而人们曾认为， - Si3N4 和 - Si3N4相分别为低温和高温两种晶型。 反例： （1）低于相变温度的反应烧结Si3N4中， - Si3N4 和 - Si3N4两相几乎同时出现。 （2）又如 在另SiCl4-NH3-H2系中加入少量TiCl4，1350-1450 可直接制备出 - Si3N4 ，该系在1150生成沉淀，然后于Ar气中1400 热处理6小时，得到的仅为 - Si3N4 。, - Si3N4可直接生成,6,Si3N4陶瓷的制备方法,反应结合氮化硅（RBSN） 热压烧结氮化硅(HPSN) 无压烧结氮化硅(SSN) 反应结合氮化硅的重烧结（PSRBSN） 热等静压烧结氮化硅,共价键很强的化合物，离子扩散系数很低，因此很难烧结,7,反应结合氮化硅,氮化反应和烧结同时进行,和两相的混合物,8,3Si + 2N2 = Si3N4 摩尔体积 36.16 44.06 （cm3/mol）,体积增加22%，有助于坯体致密化,9,反应结合氮化硅工艺的优点,制造形状很复杂的产品，不需要昂贵的机械加工，尺寸精度容易控制； 不需要添加烧结助剂,10,反应结合氮化硅工艺的要求,硅粉的杂质少，粒度小（过200目筛） 素坯成型时根据需要加入临时粘结剂。 密度与成型方法的关系： 等静压干压浇注或挤压 素坯的初步氮化：1150-1200保温1-1.5小时，坯体获得一定的强度 坯体的加工，烧成后体积变化小，尺寸精度保持在0.1% 氮化烧成：加入催化剂促进氮化，如氧化铁、氟化钙等,11,热压烧结氮化硅,热压烧结氮化硅可获得密度和强度高的制品。 同时需要加入适量的烧结助剂，如MgO,BeO,Y2O3,Al2O3,氟化物等,质量分数90%,高温高压,高压使传质过程加速,12,13,实验原理,14,MgO烧结助剂的热压烧结原理,MgO是最先使用的烧结助剂 原理：烧结助剂和Si3N4粉末所含杂质（如SiO2）以及Si3N4本身反应生成液相，通过液相烧结机理促进致密化过程。 SiO2+ MgO=Mg SiO3,SiO2+ 2MgO=Mg2SiO4,熔化润湿Si3N4颗粒， 填充于颗粒之间,表面张力作用， 颗粒重排,密度增加，气孔率下降,15,使用烧结助剂时需考虑,使用纯度高的氮化硅原料（杂质降低玻璃相的粘度） 采用形成粘度较高 玻璃相的烧结助剂 经过热处理使玻璃相析晶,16,热压烧结氮化硅的优缺点,优点：可获得密度和强度高的制品 缺点：生成效率低，成本高，产品形状简单，后续机加工困难,17,无压烧结氮化硅,解决反应烧结产品密度低，性能不佳；而热压烧结生产效率低，成本高，产品形状简单，后续加工困难等缺点。,18,无压烧结获得致密氮化硅陶瓷,原料粉末细化 高相含量 采用有效的烧结助剂 气氛压力烧结 使用Si3N4+BN+MgO(5:4:1)埋粉 控制保温时间,高表面能，接触面积多，晶界面积大，扩散距离短,相变，获得镶嵌结构,复合添加剂，如同时添加Y2O3和Al2O3,抑制失重、促进致密化,19,反应结合氮化硅的重烧结,反应结合氮化硅（RBSN）: 尺寸精确，强度低 热压烧结氮化硅(HPSN)： 强度高，形状单一 无压烧结氮化硅(SSN)： 反应结合氮化硅的重烧结( PSRBSN)-新材料制备工艺,采用超细粉体，制备工艺困难，生坯密度低，收缩率高，尺寸公差大,20,反应结合氮化硅的重烧结-优点,起始原料为Si粉，价格便宜 反应结合氮化硅（RBSN）的生产工艺较为成熟，如注浆和注模 反应结合氮化硅（RBSN）的密度达到理论密度的9295%,21,重烧结,将含有烧结助剂的反应烧结的Si3N4坯体在一定氮气压力和较高温度下再次烧成，使之进一步致密化，这种工艺就是再烧结。 烧结助剂的引入： 球磨时引入 浸渍法,22,重烧结致密化机理,液相生成 颗粒发生溶解-沉淀，坯体密度增加 气孔封闭,23,重烧结的优点,最高密度可达99%，与热压Si3N4相媲美 重烧结过程中收缩小,24,热等静压烧结氮化硅（HIPSN）,对共价键化合物进行热等静压烧结是一种有效的烧结方法。 对制品同时施加高温和高压的作用，颗粒发生重排和塑性变形，将气