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氮化硅为什么被誉为是“综合性能最好的结构陶瓷”?
2021年04月30日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:142
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特种陶瓷是指具有特殊力学、物理或化学性能的一类陶瓷,所用的原料和所需的生产工艺技术都与普通陶瓷有较大的不同和发展。按照特性和用途,特种陶瓷可分为两大类:结构陶瓷和功能陶瓷。其中,结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,一般都具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。

结构陶瓷种类繁多,优缺点及擅长的应用方向各有异同,其中“氮化硅陶瓷”由于各方面性能较平衡,被誉为是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类,具有极其广泛的应用。具体是如何优秀呢?下面便来一起看看。

氮化硅陶瓷的优势

氮化硅(Si3N4)可被划分为共价键化合物,以[SiN4]4-四面体为结构单元,氮原子和硅原子的具体位置从下图可以看出,硅处于四面体中心,四面体四个顶点的位置被氮原子占据,然后每三个四面体共用一个原子,在三维空间中不断重复延伸,最终形成网络结构。氮化硅的很多性能与这种四面体结构相关。

氮化硅

氮化硅四面体

氮化硅存在有3种结晶结构,分别是α、β和γ三相,其中α和β两相是氮化硅最常出现的形式。由于氮原子之间结合得非常牢固,因此氮化硅具有良好的高强度、高硬度及耐高温等性能,硬度可达HRA91~93;热硬性好,能承受1300~1400℃的高温;与碳和金属元素化学反应较小导致其摩擦系数较低;具有自润滑性,因此耐磨损;抗腐蚀能力较强,除了氢氟酸以外,它不与其它无机酸发生反应,高温时还具有抗氧化能力;它还具有良好的抗热震性,在空气中急剧冷却再急剧加热也不会碎裂;氮化硅陶瓷高温蠕变小,在高温和固定负载的作用下,所产生的缓慢塑性形变很小。

此外,氮化硅陶瓷还具有高比强、高比模、高热导率、优良的电学性能等优点,因此在高温、高速、强腐蚀介质等极限环境下具有特殊的应用价值,被认为是最具有发展应用前景的结构陶瓷材料之一,在许多需要经受考验的应用场合中常常成为首选,以下就对这些应用方向做一个盘点。

氮化硅陶瓷的应用

关于氮化硅的应用,最早出现在上世纪50年代,是作为碳化硅和氧化物的粘结相应用于耐火材料,随后用于制造坩埚、热电偶管、火箭喷嘴等。上世纪60年代,随着对高温性能优良的新型材料需求的增加,氮化硅陶瓷的发展速度明显升高。目前,氮化硅材料的开发正以陶瓷与电子工业为主,不断向其它应用领域扩展。

1.氮化硅陶瓷轴承

陶瓷轴承从1972年研制成以来,得到迅速发展。已在精密机床,汽车,航空发动机,化工仪器,超导装置等领域得到较广泛应用。作为轴承材料考虑,最基本的特性是滚动疲劳寿命,为评价各种陶瓷轴承的适用性,用陶瓷平板进行滚动寿命试验,其滚动寿命排序结果为:氧化铝<碳化硅<氧化锆<氮化硅。由此可见,在上述四种常见工程结构陶瓷中,Si3N4最适合用作轴承材料。

氮化硅

氮化硅陶瓷轴承

氮化硅陶瓷材料应用在风电行业轴承中的情况主要分为两类:氮化硅陶瓷轴承、氮化硅陶瓷滚动体与钢制轴承底座制成的混合陶瓷轴承。氮化硅陶瓷轴承是指内外圈、滚动体采用氮化硅陶瓷材料,保持器采用不锈钢、尼龙、氧化锆、氮化硅或特定铝合金制成的轴承,其性能比混合陶瓷轴承佳。

2.航空航天领域

航空航天领域里,对材料性能的要求十分苛刻,挑战着传统材料的极限。Si3N4因具有高温强度、良好的断裂韧性、高硬度、高介电强度、出色耐热冲击性和摩擦学性能,应用于航空航天是一个很好的选择,能确保优异的机械可靠性和耐磨性。可用于控制卫星轨道的火箭燃烧室推进器,对材料要求很苛刻。由于高温燃烧能够获得更大的推进力,所以不但要求其材料质轻,且能够承受高温。

氮化硅

氮化硅陶瓷尾喷管在航空航天的应用

如上图所示,日本京瓷公司研制的氮化硅火箭燃烧室高温陶瓷推进器(尾喷管)具有轻质且能够承受高温气体燃烧的优势(1300℃以上),可在其他材料无法适用的环境下应用,从而取代了铌合金等。

3.汽车发动机高温部件

汽车发动机用的Si3N4陶瓷部件包括:增压器涡轮转子,预热燃烧室,摇臂镶块,喷射器连杆,气门导管,陶瓷活塞顶,电热塞等,尤其是难度最大的陶瓷转子产品已进入某些陶瓷发动机,小型涡轮转子已进入商业化规模生产。

4.氮化硅陶瓷散热基板

电子行业中的散热基板需要及时有效地将集成电路中各元器件的热量排出,另外,基板需要具备足够强的机械性能,以应对温度、压力等条件十分苛刻的场合。氮化硅陶瓷的热导率虽然比氮化铝、氧化铍低,但明显高于一般的结构陶瓷,基本能够满足基板的散热需求;而且,氮化硅陶瓷的强度和断裂韧性远高于其它的基板类陶瓷,是综合性能十分优越的散热基板材料,已经在高铁、电动汽车的电控系统中得到实际应用。

5.其他领域应用

氮化硅陶瓷由于具有优良的耐高温,耐腐蚀等性能,可用于化工耐腐蚀耐磨部件,半导体工业,包括国防工业用导弹天线罩,生物医疗用陶瓷材料,核电主泵用作密封环,多晶硅还原炉用氮化硅陶瓷环,隔热盘罩,新开发的氮化硅陶瓷螺旋弹簧,不仅在1000℃温度下可保持高强度,而且具有极强的耐腐蚀性,用于特殊阀门中。

氮化硅 

左:氮化硅螺旋弹簧 右:氮化硅轴承球、环,刀具

总之,作为综合性能最为优良的结构陶瓷材料,氮化硅的诸多应用方向受到工业界和实验室的关注,相信其凭借独特性能在未来仍有广阔的发展空间。

资料来源:

气压烧结氮化硅陶瓷组织及性能研究,王旭东。

气压烧结氮化硅陶瓷的研究与应用进展,杨亮亮,谢志鹏,李双,宋明。

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