美高梅手机登录网站-美高梅手机登录网站[欢迎您]

了不得!氮化硅与碳化硅强强联合竟这么厉害!
发布时间:2020-10-15 来源:中国粉体网     分享到:

  近年来,复相陶瓷成为了先进陶瓷研究领域的重要方向。作为各方面性能都较为优异且相近的陶瓷材料,氮化硅结合碳化硅陶瓷材料成为了研究重点。

image.png


在Si3N4陶瓷中加入SiC进行颗粒弥散强化,不仅能获得比单项陶瓷更优良的力学性能,而且进一步能提高Si3N4陶瓷的高温性能。近年来科研工作者对氮化硅/碳化硅复相陶瓷进行了大量的研究,研究结果表明复相陶瓷有希望成为性能更加优良的材料体系。SiC粒子或晶须对Si3N4基体材料具有种种强化和增韧作用,所制备的复合材料性能比单相Si3N4或单相SiC的性能更突出,其断裂韧性远远高于单相SiC,耐高温性、抗蠕变性及高温抗氧化特性等远远高于单相Si3N4。



有哪些突出性能



1、氮化硅结合碳化硅陶瓷质地坚硬,莫氏硬度约为9,在非金属材料中属于超高硬度材料。


2、氮化硅结合碳化硅陶瓷的不但常温强度高,在1200~1400℃高温下几乎保持与常温相同的强度和硬度。随着使用气氛的不同,最高安全使用温度可达到1650~1750℃。


3、氮化硅结合碳化硅材料热膨胀系数小,相对于碳化硅等制品热导率高,不易产生热应力,具有良好热震稳定性,使用寿命长。高温抗蠕变能力强,耐腐蚀,耐极冷极热,抗氧化,易制成尺寸精度高符合要求的制品。


4、氮化硅结合碳化硅材料与有色金属不发生浸润,并且具有良好的绝缘性能,因此在铝、铜和锌等有色金属的生产过程中获得广泛的应用,尤其是制作电解槽侧墙内衬砖的理想材料。


粉体制备方法


获得均匀分散的复合粉体是制备高性能复相陶瓷的关键。近年来,相关的制备技术得到了广泛的研究,并发展出一系列卓有成效的制备方法。其中氮化硅结合碳化硅复合粉体主要的制备方法包括机械混合法、气相热解法、聚合物先驱体法、碳热还原法和溶胶凝胶法等。


1、机械混合法


机械混合法又称为高能球磨法,是最常用的复合粉体制备方法,工艺简便而且成本较低,设备要求也不高,对人员也无特殊要求。机械混合工艺是将Si3N4原料粉与SiC亚微米或者纳米粉以及烧结助剂混合,在乙醇或其它溶剂介质中球磨一定时间,并将浆料干燥以获得均匀的混合粉料。


2、气相热解法


气相热解工艺与制备纯Si3N4粉末类似,主要是利用含Si、C、N的有机气体在高温下的气相热反应或气相热解反应,来形成均匀分散的Si3N4和SiC纳米粒子。


3、聚合物先驱体法


利用聚合物的可溶及融溶性可实现聚合物在Si3N4颗粒中分子水平上的分散。因此常用含Si-C的聚合物先驱体(如聚碳硅烷)涂于表面热解后形成均匀分散的SiC纳米粉,而用含Si-C-N聚合物先驱体(如聚硅氮烷)同时产生Si3N4和SiC纳米粉。使用聚碳硅烷作为先驱体的制备工艺是:将α-Si3N4粉末、烧结助剂和聚合物先驱体混合球磨、干燥、冷压,在1000℃左右热解,最后进行烧结。


4、碳热还原法


碳热还原法是早期的材料制备方法,有着悠久的历史,该方法来源于著名的Acheson法,其利用的主要方法为:


3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO

SiO2+3C=SiC+2CO


该法还可以实现Si3N4与SiC的原位结合,成为廉价制取氮化硅结合碳化硅材料的重要方法,而且制品中α-Si3N4相含量高,但碳热还原法是一个复杂的反应体系,而且由于反应物过多,极易引入杂质,导致影响反应的因素众多,因而产品质量不易精确控制。


5、溶胶凝胶法


溶胶凝胶是结构陶瓷复合粉体制备的有效途径。有报道制备过带有烧结助剂的氮化硅碳化硅复合粉体,首先将硅溶胶或者硅溶胶和硝酸钇的混合液与尿素溶液混合,水浴加热至80℃,通入氨气并不断搅拌,直至凝固。然后,把由氨解形成的前驱体与炭黑按一定比例配料,以无水乙醇为介质,球磨混合数小时,经干燥获得凝胶样品,放入石墨坩埚内,在高温炉氮气氛下进行碳热还原反应,所得粉末经空气中脱碳后得到复合粉体。


复合陶瓷制备方法


1、反应烧结法


反应烧结法是常用的烧结方法,反应原料为一定颗粒级配的SiC和Si粉,或者为一定颗粒级配的SiC、Si3N4和Si粉。烧结前先将粉末均匀混合后压制成所需要的形状,然后在氮气气氛中烧结得到相应的复相陶瓷。


2、热压烧结法


热压烧结是釆用机械加压的方式对烧结构件进行致密化的,热压烧结是在反应烧结法的基础上经过改进形成的,热压烧结可以克服反应烧结法成品气孔率较高、致密化不足导致的强度低的缺点,制备出接近理论密度的高强度陶瓷。热压法的过程与反应烧结法基本一致,区别在于热压法需要烧结助剂,而且在加入反应物料之前必须要进行充分的混合,否则制品难以达到致密烧结。


3、气压烧结法


气压烧结是现在流行的烧结方式,它工艺简便,成本较低,采用一定烧结助剂也能得到相对致密的烧结体。气压烧结可选择多种工艺条件,因而可以有效的控制材料结构和性能。


4、自蔓延高温合成法


自蔓延高温合成法是反应烧结的延伸,又称燃烧合成法,它是利用燃烧反应释放的热量使含有Si、C、N物质的压坯发生剧烈化学反应,并且燃烧面以一定的速度向前推进,自动持续蔓延生成陶瓷化合物的方法。自蔓延合成与原位合成法配合运用可低成本的制备出高性能陶瓷。但是自蔓延合成也有明显的缺点,由于燃烧合成速度快,所以合成过程中温度变化较快,导致无法对反应的过程实施精确控制,因此最终陶瓷的孔隙率高、密度低,造成陶瓷的强度偏低,不能得到应有的应用。


应用


氮化硅结合碳化硅材料具有较高的高温强度,导热性,抗氧化性也很好,并且不易被腐蚀,诸多优良性能决定了它适合于作为耐火材料使用。在陶瓷行业,其可用作耐高温窑具,可有效提高窑炉窑具的寿命,提供稳定的烧成环境,保证产品的质量。


氮化硅结合碳化硅材料与有色金属不发生浸润,并且具有良好的绝缘性能,因此在铝、铜和锌等有色金属的生产过程中获得广泛的应用,尤其是制作电解槽侧墙内衬砖的理想材料。


目前在环境保护行业中,作为脱硫脱硝工程中的喷嘴绝大多数都是由氮化硅结合碳化硅材料制作的,使用该材料成形制作的喷嘴具有尺寸精确、耐腐蚀、耐冲刷性能好、雾化性能优良,而且使用寿命较长等优越性能。目前国内外脱硫脱硝喷嘴的用量在逐年递增。


在航天航空方面,可以利用其抗热震性、抗氧化、耐高温腐蚀等特性制造雷达天线罩等其他高温结构件。


在军事工业中,其可以用来制造导弹尾喷管和喉衬。另外在核工业中反应堆的支撑件和隔离间、医学工业和日常生活中,氮化硅结合碳化硅材料也都有应用。


参考来源:

[1]侯撑选.氮化硅结合碳化硅材料的特性及应用范围

[2]李康.氮化硅/碳化硅陶瓷复合材料研究

[3]中国粉体网



你知道你的Internet Explorer是过时了吗

为了得到我们网站最好的体验效果,我们建议您升级到最新版本的Internet Explorer或选择另一个web浏览器.一个列表最流行的web浏览器在下面可以找到.

XML 地图 | Sitemap 地图