《不同助烧剂对氮化硅陶瓷常压烧结的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不同助烧剂对氮化硅陶瓷常压烧结的影响（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、不同助烧剂对氮化硅陶瓷常压烧结的影响姓名：唐万强班级：材料 0701指导老师：张军战摘要氮化硅陶瓷是一种有广阔发展前景的高温高强度结构陶瓷.其具有高性能(如强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性好等).已广泛应用于各行各业.氮化硅的制备方法主要有反应烧结法(RS)、热压烧结法(HPS)、常压烧结法(PLS)和气压烧结法(GPS)等。作为实用价值最大的一种方法,Si3N4陶瓷的常压烧结法正日益受到重视。由于氮化硅中氮原子和硅原子的自扩散系数很低,致密化所必需的扩散速度和烧结驱动力都很小,在烧结过程中需采用烧结助剂。而助烧剂对用常压烧结法制取高性能氮化硅材料十分
2、重要。本文主要介绍 MgOY2O3和复合助烧剂对氮化硅陶瓷常压烧结的影响。关键词：氮化硅陶瓷，常压烧结，助烧剂AbstractSilicon nitride ceramic is widely used for its properties of high strength, thermal shock resistance,fracture toughness, high bending strength at room temperature, wear resistance, oxidation resistance,corrosion resistance, etc. The popu
3、lar preparation me- thods of silicon nitride ceramic are reactive sintering (RS),hotpressing sintering (HPS), pressureless sintering (HPS) and gas pressing sintering (GPS). Sintering aidswere one of key factors affecting microstructure and properties of silicon nitride ceramics. Dur- ing sintering p
4、rocess of silicon nitride ceramics, the sintering aidswere used because self-diffusion coefficients of nitrogen and siliconwere very lowand diffusion velocity and sintering driving force required by densifying were small.And sintering aid with pressureless agent making high-performance Si3N4 materia
5、l is very important. This a- rticle mainly introduces MgO ,Y2O3 and sintering aid on pressureless Si3N4 ceramics.Key words:silicon nitride ceramics, Pressureless,sintering aid前言近年来,氮化硅陶瓷在化工、冶金、航天等领域的应用日益广泛。但是氮化硅是强共价键化合物,自扩散系数低,并且在 1600就明显分解。如果不添加助烧剂,纯氮化硅几乎不可能烧结1 。氮化硅的制备方法有多种，常压烧结氮化硅陶瓷的实用价值最高，在烧结过程中加
6、入一定量的助烧剂便可显著提高其使用性能。1.氮化硅陶瓷1.1 氮化硅陶瓷的特点Si3N4是一种共价键化合物,它有两种晶型，即 - Si3N4和 - Si3N4，基本结构单元为SiN4四面体,硅原子位于四面体的中心,在其有四个氮原子,分别位于四面体的四个顶点,然后以每三个四面体共用一个原子的形式,在三维空间形成连续而又坚固的网络结构2。因此氮化硅陶瓷具有强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性好等特点。表 1-1 两种 Si3N4晶型的晶格常数、密度和显微硬度31.2 氮化硅陶瓷的应用由于 Si3N4陶瓷具有优异的特性,人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械
7、密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面,不仅可以提高柴油机质量,节省燃料,而且能够提高热效率。利用 Si3N4重量轻和刚度大的特点,可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度,产生热量少,而且能在较高的温度和腐蚀性介质中操作2相信随着 Si3N4粉末生产成型、烧结及加工技术的改进,其性能和可靠性将不断提高,氮化硅陶瓷将获得更加广泛的应用3 。2.氮化硅陶瓷的烧结方法2.1 反应烧结法（RS）氮化硅反应烧结是使用已成形的硅粉,在氮气中合成氮化硅时完成烧结的工艺。其主要反应方程为:3Si+2N2 Si3N4 (1)在反应炉中,随着炉温的不断升
8、高,氮气的活性增强,当达到一定温度(1 1001 200)时,氮气和硅粉发生式(1)反应,反应放出能量并传给周围硅原子,使之活化并继续反应。随着反应不断深入坯体内部,硅粉不断氮化生成氮化硅。在新相生成的同时,伴随着 22%的体积增加,通过扩散传质,填补坯体颗粒间的空隙,形成新的交织结构,提高坯体的致密度和强度,在没有显著坯体收缩下实现烧结4。2.2 热压烧结法(HPS)热压烧结是指将 Si3N4粉末和少量添加剂(如 MgO、Al2O3、MgF2、Fe2O3等),在 19.6MPa 以上的压强和 1600以上的温度进行热压成型烧结。但是其制造成本高、烧结设备复杂,由于烧结体收缩大,使产品的尺寸精
9、度受到一定的限制,难以制造复杂零件,只能制造形状简单的零件制品,工件的机械加工也较困难2。2.3 常压烧结法(PLS)常压烧结是以高纯、超细、高 相含量的氮化硅粉末与少量助烧剂混合，通过成型、烧结等工序制备而成。在烧结过程中， 相向液相溶解，之后析出在 - Si3N4晶核上变为 - Si3N4，这有利于烧结致密化过程的进行。烧结时必须通入氮气，以抑制 Si3N4的高温分解。常压烧结可获得形状复杂、性能优良的陶瓷，其缺点是烧结收缩率较大，一般为 16%26%，易使制品开裂变形5。2.4 气压烧结法(GPS)气压烧结是 1976 年由日本人发明的，该工艺是把 Si3N4压坯放在512MPa 的氮气
10、中在 18002100下进行烧结。施加较高的氮气压的目的是为了抑制高温下 Si3N4的分解，从而提高烧结温度、进一步促进材料的致密化，并且有利于选用能形成高耐火度晶间相的助烧剂6来提高材料高温性能。该工艺比常压烧结更易于使材料致密化，并且可以制备复杂形状的陶瓷部件，从而弥补了热压烧结的不足。3.不同助烧剂对常压烧结的影响3.1 助烧剂的选择Keighi Negita 从热力学的观点,对 Si3N4助烧剂的选择从理论上给予了说明7。他认为,在有氧存在的条件下,Si3N4将发生下列反应而导致分解：1/3Si3N4(S)+O2(g) SiO2(S)+2/3N2(g)2/3Si3N4(S)+O2(g)
11、 2SiO(S)+4/3N2(g)所以金属氧化物作为有效的 Si3N4助烧剂的重要条件就是它们能够在烧结过程中阻止 Si3N4的分解。通过热力学的计算,对一些氧化物进行了分类:Mn3O4、FeO、Cr2O3等会导致 Si3N4分解,不能作为助烧剂;一些低熔点的金属氧化物,如 NiO、PbO、Na2O 等也不适合作助烧剂;MgO、Y2O3、CeO2、La2O3、BeO、Al2O3、ZrO2、Sm2O3及其组合都可以作为 Si3N4的助烧剂8。3.2 常用助烧剂对常压烧结的影响3.2.1 MgO 助烧剂MgO 助烧剂的作用是保障液相的形成而制得高密度 Si3N4材料。液相的形成是 MgO 与 Si
12、O2(始终以 Si3N4粒子表膜形成参与)相互作用的结果。所形成液相的组成包括 4 种成分(Mg-Si-O-N)的较复杂组成，冷却时这种液相在 Si3N4晶界上形成玻璃相,普遍认为这种镁硅酸盐的玻璃相对 Si3N4的高温性能是不利的5高温下的晶界软化和变形使 Si3N4陶瓷强度和韧性都大幅度下降, 1400时已表现出延性变形和大蠕变现象9。3.2.2 Y2O3助烧剂在烧结或相对低温热压时于 Si3N4中引入 Y2O3可形成促进烧结的液相。该相在烧结的较高温度下与 Si3N4反应,形成耐高温的粘结相。根据 Y2O3和参与Si3N4粉末的表面 SiO2的数量,在该系统中可形成四种不同的氮化氧化物结
13、晶相Y2Si3O3N4、YSiO2N、Y4Si2O7N2、Y10(SiO4)6N2,这些相沿 Si3N4晶界配置,一方面保障材料较高的耐高温强度,另一方面降低其抗氧化性,后者是因为所有这些相的氧化伴随有极大的体积效应10。3.2.4 复合助烧剂复合助烧剂将对 Si3N4陶瓷的烧结性能产生不同的影响。由于单相 Si3N4材料较难控制,因此人们现在更注意多相 Si3N4材料的研究,通过添加更多组分来提高 Si3N4材料的常温性能。而提高高温性能可以通过热处理的方法使玻璃相晶化而加以改善。例如，使用 Y2O3-Al2O3复合添加剂可使氮化硅达到最佳烧结。因为这种添加剂可保障形成 Y-Si-Al-O-
14、N 液相,在该相参与下 Si3N4烧结得最充分。在引入 Y2O3-Al2O3添加剂的情况下,可制得高强度 Si3N4陶瓷。杨海涛等11研究发现,MgO-CeO2是一种很理想的氮化硅陶瓷的烧结助剂。对于 Si3N4-MgO-CeO2系陶瓷,在烧结初期(1450-1500),MgO-CeO2就会与Si3N4反应形成大量的硅酸盐液相,促进烧结致密化,从而使材料具有很高的常温性能(相对密度 98.5%,抗弯强度 950MPa,硬度 92HRA);在烧结中后期(1550-1800),MgO 在烧结过程中会自动析晶,使得玻璃相中几乎不含 MgO,但 CeO2却以铈硅酸盐的形式始终留在玻璃相中。MgO 的自
15、动析晶,大大减少了烧结体中影响其高温性能的玻璃相的含量,从而有助于氮化硅陶瓷高温性能的提高。其作用效果既与单独使用 MgO 不同,也不同于单独使用 CeO。杜大明等5通过实验得知，MgO、Y2O3、CeO2、La203和 TiC、组成的复合助烧剂对 Si3N4来讲是有效的助烧剂。复合稀土氧化物可以显著降低 Si3N4的烧结和致密化温度，在 1720可以制得力学性能优良的 Si3N4陶瓷。材料的抗弯强度、硬度和韧性都随相对密度的升高而升高。添加 TiC 可在不提高相对密度时提高材料的抗弯强度、硬度和断裂韧性。他通过 XRD、SEM、TEM 等测试手段对添加不同助烧剂的常压烧结的氮化硅陶瓷进行测试
16、，X 射线衍射实验表明，Si3N4的常压烧结的实质是液相烧结，由烧结助剂和 Si3N4表面的 SiO2反应形成低熔点的硅酸盐液相，促进烧结致密化，冷却后，在晶界形成玻璃体。常压烧结的 Si3N4陶瓷主要由 - Si3N4和少量的 - Si3N4组成，发育良好的 - Si3N4则容易形成交错排列的粗大杆状，这种结构有利于提高烧结体强度和韧性。说明由稀土氧化物组成的复合烧结助剂可以在一定程度上改善 Si3N4陶瓷的微观结构，提高力学性能。4.结语在常压烧结过程中加入一定的助烧剂也可制的高品质的氮化硅陶瓷。由MgO 和稀土氧化物组成的复合助烧剂是 Si3N4有效的助烧剂，能够显著降低烧结温度，在 1720烧结可以获得较高致密度的 Si3N4制品。Si3N4陶瓷的常压烧结法正日益受到重视，常压烧结的性能已有了很大提高,相信不久以后 Si3N4陶瓷的广泛使用将成为现实。参考文献1刘国玺,赵昆渝,李智东,等.烧结助剂对反应烧结氮化硅陶瓷的影响J.耐火材料,2
