55-氮化物陶瓷解析课件.ppt

1、5.5 5.5 氮化物陶瓷氮化物陶瓷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(SiSi3 3NN4 4)、氮化铝（氮化铝（AlNAlN）、）、氮化硼（氮化硼（BNBN）、）、氮化钛（氮化钛（TiNTiN）和赛隆陶瓷等。和赛隆陶瓷等。BNBN，SiSi3 3NN4 4，AlNAlN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。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

2、使对于硬，即使对于硬度很低的六方度很低的六方BNBN，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。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。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

3、B、SiSi、AlAl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（SILICONSILICON NITRIDENITRIDE CERAMICSCERAMICS）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。-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-Si3N4。u -Si3N4在在1400-

4、1600下加热，会转变成下加热，会转变成-Si3N4。1900分解。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.制备技术制备技术粉末合成：1Si的直接氮化的直接氮化3Si+2N2Si3N42SiO2还原法还原法3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO3热分解法热分解法3Si(NH)2Si3N4+2NH33Si(NH2)4Si3N4+8NH34气相合成法气相合成法3SiCl4+16NH3Si3N4+12NH4ClSi3N4粉末的合成方法粉末的合成方法烧结助剂：烧结助剂：MgO、Al2O3、Y2O3烧结方法烧结方法：常压

5、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3.3.性能与用途性能与用途在在SiSi3 3NN4 4结构中，氮原子与硅原子间的键力很强，因而，结构中，氮原子与硅原子间的键力很强，因而，SiSi3 3NN4 4具有许多优异性能如耐磨、高硬度、高强度、耐化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定性等。学腐蚀和很好的高温稳定性等。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

6、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。（1 1）SiSi3 3NN4 4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SiSi3 3NN4 4做活塞顶盖；做活塞顶盖；用反应烧结用反应烧结SiSi3 3NN4 4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

7、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，耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被酸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铅、铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀。润与腐蚀。因此它可以被广泛用于化工化学工业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、过滤上的制备耐蚀耐磨零件，如球阀、密封环、过滤器、热交换器部件、管道、触媒载体等。器、热交换器部件、管道、触媒载体等。(3)Si(3)Si3 3NN4 4陶瓷材料陶瓷材料具有耐磨性好、强度高、

8、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)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

9、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、用作热机材料、切削工具、高级耐火材料等。高级耐火材料等。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

10、氮化硼陶瓷BNBN有两种晶型：有两种晶型：立方立方BNBN和和六方六方BNBN，在高温高压下六，在高温高压下六方方BNBN可转变为立方可转变为立方BNBN。u立方氮化硼立方氮化硼(CBN)(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。CBNCBN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。精加工。六方氮化硼六方氮化硼(HBN)(HBN)：

11、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。uHBNHBN与大多数金属不反应、不润湿，可作为熔化和输与大多数金属不反应、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

12、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3.26g/cm3，常压下常压下2450升华分解，莫氏硬度升华分解，莫氏硬度79。最大的特点。最大的特点是是导热率高导热率高，可达，可达200W/m.K以上，热膨胀系数小，以上，热膨胀系数小，强度高，电绝缘性能好，强度高，电绝缘性能好，是理想的基片材料，用作高是理想的基片材料，用作高温结构件和换热器等。温结构件和换热器等。烧结助剂：烧结助剂：SiO2、Y2O3

13、、CaO，在氮气中于，在氮气中于18001900下烧成，强度下烧成，强度200300MPa。氮化铝基片显微结构氮化铝基片显微结构四、四、赛隆赛隆(SIALONSIALON)陶瓷陶瓷是是SiSi3 3NN4 4与尖晶石与尖晶石AlN.AlAlN.Al2 2O O3 3的固溶体，晶体结构与的固溶体，晶体结构与b b-SiSi3 3NN4 4相同，力学性能也与相同，力学性能也与b b-Si-Si3 3NN4 4相似，硬度、强度相似，硬度、强度和导热率略低于和导热率略低于SiSi3 3NN4 4，但韧性比，但韧性比SiSi3 3NN4 4好。好。b b-Sialon-Sialon的的结构通式结构通式为：为：SiSi6-x6-xAlAlx xO Ox xNN8-x8-x，在，在17001700，X4.2X4.2，14001400，X2X2。赛隆陶瓷的应用与赛隆陶瓷的应用与SiSi3 3NN4 4相相似，但更适合于作为超硬刀具材料似，但更适合于作为超硬刀具材料。