高温结构陶瓷

高温结构陶瓷

摘要：

高温结构陶瓷（high temperature structural ceramics），用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。

在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。

关键词：高温结构陶瓷膨胀系数生产与应用

高温结构陶瓷的分类主要有以下几种：氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、刚玉、等。

§1.1氮化硅陶瓷

1．1．1 定义与性能

氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。他是氮和硅的唯一化合物，他有两种变体：α—Si3N4和β—Si3N4,均属六方晶系，在20～1000℃线性膨胀系数为2.75×10-6℃-1。是很好的介电体。具有较高的机械强度，特别是在高温下仍保持一定强度。对酸、水蒸气和许多金属熔体（Al、Pb、Zn、等）的作用都是稳定的。抗氧化能力较强，摩擦系数低，硬度高。

1．1．2 工艺方法

它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。然后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。

反应方程式：3Si+2N2→Si3N4

1．反应烧结生产Si3N4

采用一级结晶硅块，在球磨中湿磨，酒精作研磨介质，磨至小于０.０７ｍｍ。然后净化原料，配料制成坯体。成型方法可采用浇注法、模压法，热压注法或等静压成型方法等。成型时要使素坯密度达到一定要求。

素坯先在氮化炉中进行氮化处理，可采用钼丝电炉或二硅化钼棒电炉。炉膛要密封严紧，以保证抽真空和使用的安全性。硅和氮在约９７０～１０００℃开始反应，并随着温度升高反应速率加快。但如果温度很快上升超过硅熔点时，则坯体会由于硅熔融而坍塌。故必须在远低于熔点的温度中预先氮化。氮化炉内为９５％氮气和５％氢气混合气氛，在１１８０～１２１０℃下氮化１～１?５小时。氮化程度约为９％，炉内垫板为氮化硅质材料。

素烧后的坯体进行机械加工时，要避免与水接触、进刀和车速不宜太快，将坯品加工至成品所需尺寸。

最后进行氮化烧成。氮化温度可采用低于硅熔点（１４２０℃）和高于硅熔点分阶段保温氮化方法。一种是在１２５０℃氮化保温一段时间，使硅颗粒表面生成交织状的α—氮化硅单晶粒，填满坯体中硅颗粒之间的孔隙，整个坯体具有一定强度。然后于１３５０～１４００℃下长时间氮化，通过氮气——固相硅颗粒反应，使原来形成的网络结构的氮化硅继续发育长大、致密。另一种是在１２５０℃氮化保温一段时间后，于１４５０℃氮化保温一段时间，此时硅熔成液体、反应速率很快，生成的氮化硅为硬度、密度较高的颗粒状，分散于低温生成的网络状氮化硅内。

氮化时间：在１２５０℃时氮化４小时，１３５０℃时氮化８小时，氮化程度达５１％，继续在１３５０℃氮化２８小时，氮化程度只增加１０％，在１４５０℃氮化２小时即可完全氮化。通常应为：１２５０℃时氮化４～１０小时，１３５０℃２４～３６小时，１４５０℃６～１２小时。

氮化气氛：由于氮与硅反应为放热反应，氮化初期反应很快，产生的大量热量会使局部温度超过硅的熔点而使其熔融渗出，故升温至１０００℃时，同时通入氩气（占氮气量的２／３），到１３５０℃保温一段时间后停止供氩气，恢复９５％氮气和５％氢气气氛，这样可以用氩气来缓冲过快的反应速度。

反应烧结法制得的氮化硅制品体积密度为１．８～２．７ｇ／ｃｍ３，气孔率较高、强度不高，但适宜制作形状复杂的制品。

2．热压法生产Si3N4

将硅粉于氮化炉中氮化，得到氮化硅后进行粉碎，作为热压用原料。为提高氮化硅粉纯度，可先氮化一次，然后粉碎净化处理。进行二次氮化，细磨，用于热压制品。

将５％左右的ＭｇＯ、镁的化合物或Ｙ２Ｏ３等添加剂加入氮化硅粉中，以酒精作介质，于球磨中充分湿混。热压模为石墨质的，模内壁上涂一层氮化硼粉，将氮化硅混合料装入模内，于１７５０～１８５０℃、压力为２５～５０ＭＰａ的感应加热或辐射中热的热压炉内热压烧结。采用热压法制得的氮化硅制品密度在３．１２～３．２ｇ／ｃｍ３，远高于反应烧结法，强度亦很高。

1．1．3 应用与现状

1．应用

氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）陶瓷因其熔点高，对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性，越来越多被应用于热工各个领域，如可做燃气轮机的燃烧室、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门、永久性模具、钢水分离环等。氮化硅摩擦系数小的特点特别适合制作为高温轴承使用，其工作温度可达１２００℃，比普通合金轴承的工作温度提高２.５倍，而工作速度是普通轴承的１０倍。利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速启动汽车。氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，作为导弹和飞机的雷达天线罩，可在６个马赫甚至７个马赫的飞行速度下使用等，是一种使用范围广，很有发展潜力的高温结构与耐火材料制品等。

2．研究现状

对于Si3N4以及Sialon陶瓷烧结体，现已提供了一种不用形成复合材料而保持单一状态的、利用超塑性进行成型的工艺，并提供了一种根据该工艺成型出的烧结体。把相对密度在９５％以上、线密度对于烧结体的二维横截面上的５０μm的长度在１２０～２５０范围内的氮化硅及Sialon烧结体；在１３００～１７００℃的温度下通过拉伸或压缩作用使其在小于１０-1／秒的应变速率下发生塑性形变从而进行成型。成型后的烧结体特别在常温下具有优异的机械性能。