工程陶瓷 氮化硅陶瓷幻灯片.ppt

工程陶瓷 ——氮化硅陶瓷
汇报人:张加艳
一、氮化硅的发展历史
1875年Deville和Wohler提出的
1910年Weiss报道金属硅在氮器中加热到1320ºC时在其表面形成蓝白色涂层。
在英国20世纪60年代对氮化硅进行了大量的研究,并且提出了氮化硅有两种晶型
1961年Deeley将已合成的氮化硅粉中加入各种烧结剂静相热压,从而极大地降低了气孔率,提高了强度,观察到了α到β的转变。
1971年美国制定陶瓷燃气机的详细计划,但随后发现实施的难度很大,热压受形状的限制,难以压成形状复杂的部件。
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷晶体结构
Si3N4有两种晶形, α- Si3N4是颗粒状结晶体, β- Si3N4是针状结晶体。两者均属六方晶系,都是由[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。
在1400-1600 加热, α- Si3N4会转变为β- Si3N4 但不能说β- Si3N4 是高温型:
(1)低于相变温度合成的Si3N4中,两相都有。
(2)在气相反应中,在1350-1450直接合成β- Si3N4
氮化硅陶瓷
(一)原料Si3N4粉的生产方法
1 、直接氮化法
1300----1500°C
3Si+2N2 ——————— Si3N4
优点:工艺流程简单,成本低。
缺点:反应慢,需较高的反应温度和较长的反应时间,粒径分布较宽,而且产物需要进一步经过粉碎,磨细和纯化才能达到质量要求。
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷粉末制备
2 、 SiO2还原氮化法
1300--1700ºC
3SiO2+6C+2N2———————Si3N4+6CO
特点:原料来源丰富,反映产物是疏松粉末,无需像硅粉氮化产物那样需经粉碎处理,从而避免了杂质的重新引入,所以用该法制的粉末粒型规整,粒度分布窄。并且α- Si3N4含量高,但含碳和氧高,必须想办法除去多余的部分。
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷粉末制备
4 、气相法
1400ºC
3SiCl4+4NH3————Si3N4+12HCl

特点:可以获得均匀超细,最低颗粒尺寸小于10纳米的粉体。由于反应中心区域与反应器之间被原料气隔离,污染小,能够获得稳定质量的粉体。
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷粉末制备
氮化硅陶瓷的制备方法
氮化硅陶瓷的烧结方法
氮化硅陶瓷
它基于反应:
3Si(s)+2N2(g)= Si3N4 (s)
氮化反应的起始温度于1100ºC, 然后逐渐升温至1420ºC, 整个过程需要几天, 由于此反应是放热反应, 因此升温速度要小心控制。一般在低于1400ºC的温度下保温所得到的产物是α- 、β- Si3N4 的混合物,具有15-30%的气孔率。
氮化硅陶瓷
高纯氮化硅粉在1700ºC下热压液基本不发生收缩。氮化硅的烧结方法主要有三种:反应烧结法,常规烧结法和热压烧结法。
1 、反应烧结
优点:不许添加额外的添加剂
特点:高温下材料的强度不会明显降低;
产品尺寸和形状不变,可以制得形状复杂的制品;
要把两个零件焊接时,只需将其连接在一起进行氮化。
氮化硅陶瓷
反应烧结中,影响产品质量的关键因素是控制反应温度。
三步升温法最后将炉温升至硅的熔点以上,常称为超温氮化。
1 、反应烧结