氮化硅陶瓷的制备及性能研究进展

来源:用户上传      作者: 王培 张伟儒 张哲

　　[摘 要]氮化硅陶瓷是一种在烧结时不会发生收缩的无机材料。它具有耐高温，强度比较高，抗腐蚀能力和氧化性能比较好等优势，已经成为目前工业领域中应用比较广泛的新型材料之一。陶瓷材料和现在的一些金属材料进行比较，在抗腐蚀性、耐磨程度、抗氧化程度以及耐高温方面都有着巨大的优势，可以在金属材料难以承受的工作环境中进行正常的工作，随着相关工业技术的更进一步的发展，氮化硅陶瓷将会有更为广泛的应用前景。文章对氮化硅陶瓷的基本性质有简单介绍，对于氮化硅陶瓷的制备工艺和性能方面的发展有一个综合概述，并且对氮化硅陶瓷的发展前景进行展望。
　　[关键词]氮化硅陶瓷；制备工艺；性能；研究进展
　　中图分类号TQ174.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0379-01
　　随着科学技术的进步和社会发展的需求，在工业领域和其他行业的设备应用中，对于各种零部件的使用提出了更加严格的要求，传统的金属材料不能适应各种要求比较高的工作环境。在此种情况下对于新材料的发展研究提出了新的要求，急需开发出一种可以取代金属材料的新型高性能材料。陶瓷材料以其独特的优异性能和广泛的应用前景成为新世纪除了金属材料和高分子材料之后的又一个基础材料，并且成为当前最为热门的研究话题之一。引起了世界各国的高度重视。而作为高温陶瓷材料中比较重要的氮化硅陶瓷，有着更加优异的性能，因此被认为是高温陶瓷结构材料中应用潜力最大的材料。文章针对氮化硅陶瓷的制备和性能研究做出了简要的阐述。
　　1 氮化硅陶瓷的基本性质概述
　　氮化硅陶瓷是一种无机材料，作为一种共价键化合物，它是以[ SiN4 ]四面体作为最基本的构造单元，其中硅原子位于四面体的中心位置，4个氮原子则处于四面体的四个顶点，而其在三维空间中的构造是通过三个四面体共同使用一个原子的方式，借助这种结构，它在许多方面都有着优异的性能。作为高温结构陶瓷材料中的重要组成部分，在耐高温方面有着良好的表现，强度可以一直维持在1200℃的高温环境中不会出现下降，同事在受热之后不会成为融体，而且有着非常强的抗腐蚀性和抗氧化性，在以后的应用中潜力巨大。
　　2 氮化硅陶瓷的制备
　　近些年来，氮化硅陶瓷制备技术取得了快速的发展由于它自身的性质决定在制备工艺方面不能依靠常规的烧结方法来实现致密化。当前应用的比较广泛的烧结方法主要是以下四种：
　　反应烧结法：首先利用一般的成型方法，将硅粉做成所需要的形状生坯，放进氮化炉中进行氮化烧结处理，此时这个生坯已经拥有了一定的强度，能够通过各种机械技术的加工形成所需要的零部件形状。最后，将加工后的生坯进行再次的完全氮化烧结，此时要注意要使得温度保持在硅熔点之上，最终得到成品的零部件。这时的零部件可以直接使用，该种方法适用于形状复杂，精确度比较高的产品。
　　热压烧结法：将氮化硅粉末和适量的添加剂在高温和高压之下进行热压成型烧结，在这种方法下烧结而成的产品性能明显的优于反应烧结法制出的产品。但是其制造成本比较高，所需的设备比较多，同时只能制造一些比较简单的零部件，后期的加工改造也比较困难。
　　常压烧结法：利用氮化硅的特性，将其在1700到1800℃之间进行常压烧结，然后在1800到2000℃内进行再次的气压烧结。这种方法的目的是是氮化硅组织致密化。
　　气压烧结法：是在1～10MPa气压下，2000℃温度下进行，由于是高温烧结，而且添加的烧结助剂比较少，因此烧结出来的产品具有较强的韧性，同时可以制造出与最终产品最为接近的烧结制品，技术比较成熟，可以大规模利用。
　　通过下面的表格可以清晰的比较四中烧结方法的优缺点，具体如表1所示。
　　3 性能研究
　　氮化硅陶瓷材料在烧结过程中会由于助烧剂与二氧化硅发生反应形成的一些结晶会存在氮化硅材料中，这些结晶容易在高温环境下出现融化，使得氮化硅陶瓷材料的耐高温性有所下降，为了改善这种状况，可以通过改变结晶成分，提高耐火性等方法来改变。同时，氮化硅陶瓷由于材质本身的脆性使得它的应用范围受到限制，因此提高材料的韧性成为目前研究的一个重要方向，现阶段提高材料的韧性主要是通过颗粒弥散、晶须等。
　　总之，氮化硅陶瓷材料作为一种新型的基础性材料有着传统的金属材料所不具备的优异性能，可以在要求比较高的工作环境中代替金属材料，适应现代技术所需要的在高温、高压、腐蚀度和氧化比较强的环境，有着较为广泛的应用前景，受到各国的高度关注，但是该材料由于其自身的脆性以及制备过程中出现的一些问题都使得该材料的应用发展受到了阻碍。因此，要在日后的研究中致力于解决材料本身以及制备过程中出现的问题，促进氮化硅陶瓷材料真正的应用于社会生活的各个领域，为社会发展和人们生活起到促进作用。
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