特种陶瓷课件55氮化物陶瓷.ppt

5.5 氮化物陶瓷氮化物陶瓷n多数氮化物陶瓷的多数氮化物陶瓷的熔点熔点都比较高，尽管氮化物的都比较高，尽管氮化物的种类很多，但可作为材料应用的也是有限的种类很多，但可作为材料应用的也是有限的氮氮化物陶瓷主要有氮化硅化物陶瓷主要有氮化硅(Si3N4)、、氮化铝（氮化铝（AlN）、）、氮化硼（氮化硼（BN）、）、氮化钛（氮化钛（TiN））和赛隆陶瓷等和赛隆陶瓷等n BN，，Si3N4，，AlN等在等在高温下高温下不出现熔融状态，不出现熔融状态，而是直接升华分解而是直接升华分解n氮化物陶瓷一般都有非常高的氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度硬度，即使对于硬，即使对于硬度很低的六方度很低的六方BN，当其晶体结构转变为立方结构，当其晶体结构转变为立方结构后则后则具有仅次于金刚石的硬度具有仅次于金刚石的硬度 n和氧化物相比，氮化物和氧化物相比，氮化物抗氧化能力抗氧化能力较差，从而限较差，从而限制了其在空气中的使用制了其在空气中的使用n氮化物的氮化物的导电性能导电性能变化很大，一部分过渡金属氮变化很大，一部分过渡金属氮化物属于间隙相，其晶体结构与原来金属元素的化物属于间隙相，其晶体结构与原来金属元素的结构是相同的，氮则填隙于金属原子间隙之中，结构是相同的，氮则填隙于金属原子间隙之中，它们都具有金属的导电特性。

它们都具有金属的导电特性B、、Si、、Al元素的氮元素的氮化物则由于生成共价键晶体结构而成为绝缘体化物则由于生成共价键晶体结构而成为绝缘体一、一、氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷（（silicon nitride ceramics））1.1.基本特性基本特性u  -Si3N4：：低温型，低温型，是针状结晶体是针状结晶体 β-Si3N4：：高温高温型，型，是颗粒状结晶体是颗粒状结晶体将高纯硅在将高纯硅在1200-1300℃下氮下氮化，可得到白色或灰白色的化，可得到白色或灰白色的  -Si3N4，，而在而在1450℃左左右氮化时，可得到右氮化时，可得到β-Si3N4u  -Si3N4在在1400-1600℃下加热，会转变成下加热，会转变成β-Si3N41900℃分解uSi3N4强度和韧性优于强度和韧性优于SiC，，但抗氧化性和高温强度但抗氧化性和高温强度不及不及SiC2.2.制备技术制备技术Ø粉末合成：1Si的直接氮化的直接氮化3Si+2N2→Si3N42SiO2还原法还原法3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO3热分解法热分解法3Si(NH)2→Si3N4+2NH33Si(NH2)4→Si3N4+8NH34气相合成法气相合成法3SiCl4+16NH3→Si3N4+12NH4ClSi3N4粉末的合成方法粉末的合成方法Ø烧结助剂：烧结助剂：MgO、、Al2O3、、Y2O3Ø烧结方法烧结方法：常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应烧：常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应烧结、热等静压烧结结、热等静压烧结3. 性能与用途性能与用途n在在Si3N4结构中，氮原子与硅原子间的键力很结构中，氮原子与硅原子间的键力很强，因而，强，因而，Si3N4具有许多优异性能如耐磨、具有许多优异性能如耐磨、高硬度、高强度、耐化学腐蚀和很好的高温稳高硬度、高强度、耐化学腐蚀和很好的高温稳定性等。

定性等n氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值因而使它在许多领域得到应特殊的使用价值因而使它在许多领域得到应用并有许多潜在的用途用并有许多潜在的用途n（（1））Si3N4陶瓷材料陶瓷材料具有耐高温耐磨性能具有耐高温耐磨性能，在陶瓷，在陶瓷发动机中用于制备燃气轮机的转子、定子和涡形管；发动机中用于制备燃气轮机的转子、定子和涡形管；无水冷陶瓷发动机中，用热压无水冷陶瓷发动机中，用热压Si3N4做活塞顶盖；做活塞顶盖；用反应烧结用反应烧结Si3N4可做燃烧器，它还可用作柴油机可做燃烧器，它还可用作柴油机的火花塞、活塞罩顶、汽缸套、副燃烧室以及活塞的火花塞、活塞罩顶、汽缸套、副燃烧室以及活塞－涡轮组合式航空发动机的零件等－涡轮组合式航空发动机的零件等n（（2））Si3N4陶瓷材料的陶瓷材料的化学稳定性很好化学稳定性很好，耐氢氟酸，耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被铅、以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被铅、铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀。

蚀因此它可以被广泛用于化工化学工业上的制备因此它可以被广泛用于化工化学工业上的制备耐蚀耐磨零件，如球阀、密封环、过滤器、热交换耐蚀耐磨零件，如球阀、密封环、过滤器、热交换器部件、管道、触媒载体等器部件、管道、触媒载体等n(3)Si3N4陶瓷材料陶瓷材料具有耐磨性好、强度高、摩擦系数小具有耐磨性好、强度高、摩擦系数小的特点的特点，弯曲强度比较高，硬度也很高，同时摩擦系数，弯曲强度比较高，硬度也很高，同时摩擦系数小，具有自润滑性，摩擦系数小小，具有自润滑性，摩擦系数小(只有只有0.1)因此它可以因此它可以被广泛用于机械工业，如制造轴承、滚珠、滚柱、滚珠被广泛用于机械工业，如制造轴承、滚珠、滚柱、滚珠座圈、高温螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等座圈、高温螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等n(4)Si3N4陶瓷材料的陶瓷材料的高温电阻率比较高高温电阻率比较高(1013 1014 ·cm)，，一方面可以作为较好的绝缘材料；同时还可以用于电子、一方面可以作为较好的绝缘材料；同时还可以用于电子、军事和核工业上，如开关电路基片、薄膜电容器、高温军事和核工业上，如开关电路基片、薄膜电容器、高温绝缘体、雷达天线罩、导弹喷管、炮筒内衬、核反应堆绝缘体、雷达天线罩、导弹喷管、炮筒内衬、核反应堆的支承件等。

的支承件等n(5)此外，此外，Si3N4陶瓷还可陶瓷还可用作热机材料、切削工具、高用作热机材料、切削工具、高级耐火材料等级耐火材料等 陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具工作状态陶瓷刀具工作状态不同刀具性能比较不同刀具性能比较氮化硅轴承氮化硅轴承特点氮化硅轴承特点氮化硅粉氮化硅粉陶瓷涡轮转子与叶片陶瓷涡轮转子与叶片燃气轮机陶瓷部件陶瓷的表壳表链陶瓷的表壳表链二、二、氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷nBN有两种晶型：有两种晶型：立方立方BN和和六方六方BN，在高温高压下六，在高温高压下六方方BN可转变为立方可转变为立方BNu立方氮化硼立方氮化硼(CBN)：其结构和性能与金刚石类似，其：其结构和性能与金刚石类似，其硬度仅次于金刚石硬度仅次于金刚石，化学惰性比金刚石和硬质合金好化学惰性比金刚石和硬质合金好CBN的主要用途是：切削刀具、磨具和磨料，可用于的主要用途是：切削刀具、磨具和磨料，可用于切削包括黑色金属在内全部金属和非金属，且可用于切削包括黑色金属在内全部金属和非金属，且可用于精加工 六方氮化硼六方氮化硼(HBN)：：u其结构和性能与石墨类似，又称之为其结构和性能与石墨类似，又称之为白石墨白石墨，是良好，是良好的的高温润滑材料高温润滑材料和和高温电绝缘材料高温电绝缘材料。

uHBN与与大多数金属不反应、不润湿，可作为熔化和输大多数金属不反应、不润湿，可作为熔化和输送金属的坩锅或管道送金属的坩锅或管道u可制造高温结构部件，如火箭燃烧室内衬、宇宙飞船可制造高温结构部件，如火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等u还可作为高温、高频、高压绝缘的散热部件，半导体还可作为高温、高频、高压绝缘的散热部件，半导体封装散热底板，核反应堆中的中子吸收和屏蔽材料封装散热底板，核反应堆中的中子吸收和屏蔽材料各种材料的硬度比较 金刚石立方氮化硼碳化硼含钒高速钢碳化硅碳化钨氧化铝硬质合金高速钢水晶淬火钢硬度三、三、氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷Ø基本特性与用途：基本特性与用途：AlN为为六方晶型，密度六方晶型，密度3，，常压下常压下2450℃升华分解，莫氏硬度升华分解，莫氏硬度7~9最大的特点是最大的特点是导热导热率高率高，可达，可达以上，热膨胀系数小，强度高，电绝缘性以上，热膨胀系数小，强度高，电绝缘性能好，能好，是理想的基片材料，用作高温结构件和换热器是理想的基片材料，用作高温结构件和换热器等Ø烧结助剂：烧结助剂：SiO2、、Y2O3、、CaO，，在氮气中于在氮气中于1800~1900℃下烧成，强度下烧成，强度200~300MPa。

氮化铝基片显微结构氮化铝基片显微结构四、四、赛隆赛隆(sialon)陶瓷陶瓷n是是Si3N4与尖晶石与尖晶石2O3的固溶体，晶体结构与的固溶体，晶体结构与b b-Si3N4相同，力学性能也与相同，力学性能也与b b-Si3N4相似，硬度、强度和导相似，硬度、强度和导热率略低于热率略低于Si3N4，但韧性比，但韧性比Si3N4好 nb b-Sialon的的结构通式结构通式为：为：Si6-xAlxOxN8-x，在，在1700℃℃，，，，1400℃℃，， X≤2赛隆陶瓷的应用与赛隆陶瓷的应用与Si3N4相似，相似，但更适合于作为超硬刀具材料但更适合于作为超硬刀具材料。