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氮化硅陶瓷燒結工藝
來源:|作者:金瑞 |發布時間:2022-02-04 |次瀏覽
氮化硅是經過多年深入研究而發展起來的綜合性能優異的結構陶瓷。它具有高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和優異的耐磨性。這些性能是由于氮化硅陶瓷制備過程中科學而嚴格的制備工藝，高長徑比的晶粒和性能優異的晶間玻璃相導致的。同時，晶間玻璃相在高溫下軟化，控制了陶瓷的蠕變速率。優異的綜合性能使得氮化硅陶瓷有著廣泛的商業化應用。 最早出現的反應燒結氮化硅（RBSN）充分利用了氮化硅陶瓷的耐高溫和抗侵
氮化硅是經過多年深入研究而發展起來的綜合性能優異的結構陶瓷。它具有高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和優異的耐磨性。這些性能是由于氮化硅陶瓷制備過程中科學而嚴格的制備工藝，高長徑比的晶粒和性能優異的晶間玻璃相導致的。同時，晶間玻璃相在高溫下軟化，控制了陶瓷的蠕變速率。優異的綜合性能使得氮化硅陶瓷有著廣泛的商業化應用。
最早出現的反應燒結氮化硅（RBSN）充分利用了氮化硅陶瓷的耐高溫和抗侵蝕性能，主要用來制備熱電偶保護管、熔煉金屬的坩堝和火箭的噴嘴等，是作為一種新型耐火材料而產生的。 考慮到氮化硅強共價鍵的存在，可以通過引入燒結助劑和提高溫度來降低氣孔率以實現強度的提高，由此產生了液相燒結為手段的無壓燒結。氮化硅的液相燒結可分為兩個過程：顆粒重排和溶解—沉淀。在現有體系中，重排對致密化的貢獻約為 10 %，其余高達 17 %是溶解—沉淀造成的。無壓燒結氮化硅陶瓷利用氮化硅陶瓷
耐磨、耐熱和耐腐蝕等性能，大量應用于制備密封環、冶金工業中的輥環、承載融熔金屬的器皿、溜槽等。
Krstic 等以 Y2O3/Al2O3 為燒結助劑，在1700 ℃—1820 ℃，N2 氣氛下，研究了無壓燒結氮化硅陶瓷的相關性能和微觀結構。當 Y2O3/Al2O3比為 2.33 時，晶粒平均長徑比高為 4.92，斷裂韌性為 7 MPam1/2，強度為 800 MPa。細長晶粒的長徑比是控制燒結氮化硅陶瓷力學性能的微觀結構。
氣壓燒結氮化硅陶瓷相較其他工藝制備出的氮化硅用途更加廣泛一點。除了已述的熱電偶保護管、熔煉金屬坩堝、火箭噴嘴、陶瓷刀具、軸承球、密封環、冶金工業中的輥環和承載融熔金屬器皿等，其在陶瓷渦輪發動機部件中的應用比較廣泛。例如：發動機中的渦流室鋃塊、挺柱、搖臂鋃塊、電熱塞、渦輪增壓器轉子及氣門等,燃氣輪機中的高溫高應力部件。例如：定葉片、動葉片、蝸殼等，如圖 2 所示。
Tani 等利用 GPS 方法制備 Y-Al 系自增韌Si3N4，其抗彎強度為 550 MPa—900 MPa，斷裂韌性為 8 MPa·m1/2—11MPa·m1/2。Huang 等在 1 MPa 氮氣壓力下，研究了不同摩爾比例的 Si3N4- AlN-Y2O3 體系液相形成溫度，為后續氣壓燒結制備氮化硅陶瓷過程中溫度調控提供了重要的溫度理論基礎。Kolitsch 等人對 Y2O3-Al2O3-SiO2 系統 的 相 轉 變 關 系 和 物 相 組 成 進 行 了 研 究 ， 為Y2O3-Al2O3-SiO2 系氮化硅燒結過程中相平衡溫度建立了可靠的數據。李文蘭等人以 YAG 為添加劑研究了不同氮氣壓力對氮化硅制品的密度、強度等的影響，發現在 1900 ℃保溫 3 h，氮氣壓力為 3 MPa 時，制得樣品致密度最大。
以少量燒結助劑的熱壓燒結工藝是為了促進氮化硅陶瓷進一步致密化。熱壓燒結法制備出氮化硅具有較高的硬度、強度和韌性，常用來生產陶瓷刀具。陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料，在生產中有廣泛的應用。氮化硅具有非常高的耐磨性，它比硬質合金具有好的化學穩定性，可在高速條件下長時間切削加工。
Pyzik 等利用熱壓的方法制備 Y-Mg-Ca 系自韌 Si3N4，其室溫抗彎強度高約為 925MPa，斷裂韌性為 9 MPa·m1/2—14 MPa·m1/2。在 1000 ℃下抗折強度低在 550MPa 以上，斷裂韌性為 7 MPa·m1/2— 12 MPa·m1/2。當溫度為 1300 ℃時，抗折強度最
低為 300 MPa，一些較優異樣品達到 400 MPa— 500 MPa。羅學濤[49]利用氣壓燒結法制備 β-Si3N4晶種，加上熱壓方法制備 Y-Al 系 Si3N4 陶瓷，樣品抗彎強度高達 887 MPa—1004 MPa，斷裂韌性為 8.43 MPa·m1/2— 11.2 MPa·m1/2。少量晶種的引入有助于強度和韌性的提高，但加入量過多會造成力學性能下降。
雖然熱等靜壓燒結在氣壓燒結法之前已經發明并投入運用。但是，由于設備昂貴，生產工藝復雜和技術要求極高。目前主要用于制備高檔氮化硅軸承球等產品，尚沒有無壓燒結和氣壓燒結等工藝應用廣泛。由于熱等靜壓燒結氮化硅致密程度很高，耐磨損和抗壓性能極其優異，在一些對產品性能要求較高的領域，熱等靜壓燒結氮化硅陶瓷仍然具有大量的應用前景。一種應用在紅外探測器上的微型軸承就是運用該燒結方法制備的，如圖 3 所示。
至于微波燒結和放電等離子體燒結制備氮化硅陶瓷等方法，則是最近幾年發展起來的。目前處于實驗室研究階段，尚無大規模的商業化應用
