氮化硅陶瓷的制備及性能研究進展

王培++張偉儒++張哲

[摘 要]氮化硅陶瓷是一種在燒結(jié)時不會發(fā)生收縮的無機材料。它具有耐高溫，強度比較高，抗腐蝕能力和氧化性能比較好等優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前工業(yè)領域中應用比較廣泛的新型材料之一。陶瓷材料和現(xiàn)在的一些金屬材料進行比較，在抗腐蝕性、耐磨程度、抗氧化程度以及耐高溫方面都有著巨大的優(yōu)勢，可以在金屬材料難以承受的工作環(huán)境中進行正常的工作，隨著相關工業(yè)技術(shù)的更進一步的發(fā)展，氮化硅陶瓷將會有更為廣泛的應用前景。文章對氮化硅陶瓷的基本性質(zhì)有簡單介紹，對于氮化硅陶瓷的制備工藝和性能方面的發(fā)展有一個綜合概述，并且對氮化硅陶瓷的發(fā)展前景進行展望。

[關鍵詞]氮化硅陶瓷；制備工藝；性能；研究進展

中圖分類號TQ174.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0379-01

隨著科學技術(shù)的進步和社會發(fā)展的需求，在工業(yè)領域和其他行業(yè)的設備應用中，對于各種零部件的使用提出了更加嚴格的要求，傳統(tǒng)的金屬材料不能適應各種要求比較高的工作環(huán)境。在此種情況下對于新材料的發(fā)展研究提出了新的要求，急需開發(fā)出一種可以取代金屬材料的新型高性能材料。陶瓷材料以其獨特的優(yōu)異性能和廣泛的應用前景成為新世紀除了金屬材料和高分子材料之后的又一個基礎材料，并且成為當前最為熱門的研究話題之一。引起了世界各國的高度重視。而作為高溫陶瓷材料中比較重要的氮化硅陶瓷，有著更加優(yōu)異的性能，因此被認為是高溫陶瓷結(jié)構(gòu)材料中應用潛力最大的材料。文章針對氮化硅陶瓷的制備和性能研究做出了簡要的闡述。

1 氮化硅陶瓷的基本性質(zhì)概述

氮化硅陶瓷是一種無機材料，作為一種共價鍵化合物，它是以[ SiN4 ]四面體作為最基本的構(gòu)造單元，其中硅原子位于四面體的中心位置，4個氮原子則處于四面體的四個頂點，而其在三維空間中的構(gòu)造是通過三個四面體共同使用一個原子的方式，借助這種結(jié)構(gòu)，它在許多方面都有著優(yōu)異的性能。作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料中的重要組成部分，在耐高溫方面有著良好的表現(xiàn)，強度可以一直維持在1200℃的高溫環(huán)境中不會出現(xiàn)下降，同事在受熱之后不會成為融體，而且有著非常強的抗腐蝕性和抗氧化性，在以后的應用中潛力巨大。

2 氮化硅陶瓷的制備

近些年來，氮化硅陶瓷制備技術(shù)取得了快速的發(fā)展由于它自身的性質(zhì)決定在制備工藝方面不能依靠常規(guī)的燒結(jié)方法來實現(xiàn)致密化。當前應用的比較廣泛的燒結(jié)方法主要是以下四種：

反應燒結(jié)法：首先利用一般的成型方法，將硅粉做成所需要的形狀生坯，放進氮化爐中進行氮化燒結(jié)處理，此時這個生坯已經(jīng)擁有了一定的強度，能夠通過各種機械技術(shù)的加工形成所需要的零部件形狀。最后，將加工后的生坯進行再次的完全氮化燒結(jié)，此時要注意要使得溫度保持在硅熔點之上，最終得到成品的零部件。這時的零部件可以直接使用，該種方法適用于形狀復雜，精確度比較高的產(chǎn)品。

熱壓燒結(jié)法：將氮化硅粉末和適量的添加劑在高溫和高壓之下進行熱壓成型燒結(jié)，在這種方法下燒結(jié)而成的產(chǎn)品性能明顯的優(yōu)于反應燒結(jié)法制出的產(chǎn)品。但是其制造成本比較高，所需的設備比較多，同時只能制造一些比較簡單的零部件，后期的加工改造也比較困難。

常壓燒結(jié)法：利用氮化硅的特性，將其在1700到1800℃之間進行常壓燒結(jié)，然后在1800到2000℃內(nèi)進行再次的氣壓燒結(jié)。這種方法的目的是是氮化硅組織致密化。

氣壓燒結(jié)法：是在1～10MPa氣壓下，2000℃溫度下進行，由于是高溫燒結(jié)，而且添加的燒結(jié)助劑比較少，因此燒結(jié)出來的產(chǎn)品具有較強的韌性，同時可以制造出與最終產(chǎn)品最為接近的燒結(jié)制品，技術(shù)比較成熟，可以大規(guī)模利用。

通過下面的表格可以清晰的比較四中燒結(jié)方法的優(yōu)缺點，具體如表1所示。

3 性能研究

氮化硅陶瓷材料在燒結(jié)過程中會由于助燒劑與二氧化硅發(fā)生反應形成的一些結(jié)晶會存在氮化硅材料中，這些結(jié)晶容易在高溫環(huán)境下出現(xiàn)融化，使得氮化硅陶瓷材料的耐高溫性有所下降，為了改善這種狀況，可以通過改變結(jié)晶成分，提高耐火性等方法來改變。同時，氮化硅陶瓷由于材質(zhì)本身的脆性使得它的應用范圍受到限制，因此提高材料的韌性成為目前研究的一個重要方向，現(xiàn)階段提高材料的韌性主要是通過顆粒彌散、晶須等。

總之，氮化硅陶瓷材料作為一種新型的基礎性材料有著傳統(tǒng)的金屬材料所不具備的優(yōu)異性能，可以在要求比較高的工作環(huán)境中代替金屬材料，適應現(xiàn)代技術(shù)所需要的在高溫、高壓、腐蝕度和氧化比較強的環(huán)境，有著較為廣泛的應用前景，受到各國的高度關注，但是該材料由于其自身的脆性以及制備過程中出現(xiàn)的一些問題都使得該材料的應用發(fā)展受到了阻礙。因此，要在日后的研究中致力于解決材料本身以及制備過程中出現(xiàn)的問題，促進氮化硅陶瓷材料真正的應用于社會生活的各個領域，為社會發(fā)展和人們生活起到促進作用。

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