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      一文了解,氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料

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      一文了解,氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料

      【摘要】:
      氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料是一種特殊的碳化硅制品,20世紀70年代被廣泛應用于磨具磨料以及電陶瓷行業,上世紀80年代我國將該材料進行引入。???氮化硅和碳化硅的密度相近,當柱狀的氮化硅穿插在碳化硅顆粒之間并發生燒結,產生的增韌和強化作用遠遠優于單一材料性能。氮化硅陶瓷的脆性較大,可以與碳化硅材料復合改善脆性,提升斷裂韌性;而碳化硅材料不足的性能,如力學性能、抗氧化、耐磨損等,在與氮化硅復合之后也能

          氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料是一種特殊的碳化硅制品,20世紀70年代被廣泛應用于磨具磨料以及電陶瓷行業,上世紀80年代我國將該材料進行引入。

       

          氮化硅和碳化硅的密度相近,當柱狀的氮化硅穿插在碳化硅顆粒之間并發生燒結,產生的增韌和強化作用遠遠優于單一材料性能。氮化硅陶瓷的脆性較大,可以與碳化硅材料復合改善脆性,提升斷裂韌性;而碳化硅材料不足的性能,如力學性能、抗氧化、耐磨損等,在與氮化硅復合之后也能得到改善。

       

          氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料莫氏硬度為9左右,僅次于金剛石;常溫強度高并且在1200-1400℃時此材料的強度和硬度可以保持與常溫狀態相同。由于在燒結過程中復合材料玻璃相少,在實際使用過程中不會發生過量的高溫變形。這使得氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料在大型煉鐵爐、鋁電解槽、陶瓷窯具、垃圾焚燒爐和魯奇液態排渣爐等高溫領域得到廣泛應用。

       

      氮化硅結合碳化硅制品

       

      工業上,氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料以SiC和Si為主要組分,加入添加劑后成型,然后放置在氮化爐中通入高純氮氣,在一定溫度下氮化燒結而成。

       

      氮化硅結合碳化硅制品的生產工藝流程(圖片來源:任云等,《影響氮化硅結合碳化硅制品質量的因素及其控制措施研究》)

       

      這種方法使得Si粉直接氮化原位生成氮化硅。Si3N4晶體在生長過程中與SiC形成牢固的機械結合,形成了SiC大顆粒被棒狀的Si3N4與部分粒狀的SiC基質包圍。由于直接氮化法無法準確的控制晶體生長,因此其產品為α-Si3N4與β-Si3N4的兩相混合物,α-Si3N4晶相的含量直接決定復合材料的品質。

       

      原料

       

      氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料涉及到的主要生產原料有碳化硅、硅粉、氮氣、添加劑等。

       

      碳化硅、硅粉、氮氣

       

      碳化硅的純度應達到98.5%以上,硅粉的純度應達到99%以上,氮氣的純度應達到99.9%以上。

       

      除了原料的純度需要進行嚴格的控制之外,由于后續氮化過程中坯體基本不收縮,因此氮化制品的密度取決于坯體的密度,坯料的顆粒組成對坯體的密度有著很大的影響,生產加工過程中需要對原料的粒度和顆粒級配進行嚴格的控制,按照配方將粗、中、細SiC砂和Si粉稱重混合。

       

      添加劑

       

      含Fe、Co、Ni或Cr等催化劑,可以促進硅粉的氮化和氮化硅晶須的生長,并提升材料的力學性能或抗侵蝕性能。

       

      燒結助劑可以促進氮化硅結合碳化硅材料的燒結致密化,并提升其力學性能。氧化物燒結助劑是陶瓷燒結中研究最多的一類燒結助劑,常見的有Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、RE2O3(RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc)等;非氧化物燒結助劑目前研究較多的有YF3、YbF3、MgSiN2等。

       

      適量增強相可以提高材料的力學性能和抗氧化性能,常見的增強相有Al2O3、ZrSiO4、B4C、納米Si3N4、Ti-Si-Fe合金粉、石墨烯或碳納米管等。

       

      結合劑

       

      臨時結合劑的加入主要有兩大功效,一是可以幫助原料之間融合實現均質體,改善原料顆粒表面的分散性,為胚體成型創建良好的條件;二是氮化硅結合碳化硅制品在干燥和燒成的工序中要面臨升溫的過程,而在高溫條件下,氮化硅結合碳化硅制品中的臨時結合劑會分解,氣態物質揮發過程中給氮化硅結合碳化硅制品留下大量的網絡狀氣孔通道,不僅更有利于氮氣的充入,提高了硅粉和氮氣之間的反應效率,而且也能夠更有利于最終產品的穩定性。

       

      臨時結合劑主要有:有機糊精、木質素磺酸鈣以及德國司馬化工分散劑等,目前行業內對于臨時結合劑的添加量質量百分比通常在5%以內。

       

      成型

       

      目前,氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料的成型工藝主要有半干法成型和注漿成型兩大類。

       

      半干法成型應用更加普遍,該成型方法的優點是效率高適合大規模生產,缺點是只能制造形狀簡單粗大的產品而無法生產薄板以及形狀復雜的制品。

       

      注漿成型國內應用較多,該方法工藝簡單,成本低廉。但要求漿料性能一定要好,決定漿料好壞的因素有很多,其中碳化硅微粉表面處理占有很重要的地位;此外,該方法成型坯體強度低且石膏模的吸水過程易造成坯體的密度呈現梯度分布。

       

      凝膠注模是近幾年發展起來的新型陶瓷成型技術,可成型形狀復雜均勻性良好的坯體,已成為陶瓷材料理想的成型技術。其成型方法是首先將陶瓷粉料分散于含有有機單體和交聯劑的溶液中,制備成高固相體積分數的懸浮料漿,然后注入一定形狀的模具中,在一定條件下使有機單體與交聯劑發生反應,進而料漿原位固化成型。

       

      凝膠注模成型工藝示意圖(圖片來源:中科院上硅所)

       

      燒結

       

          氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料的燒結方法有反應燒結、熱壓燒結、氣壓燒結和熱等靜壓燒結、振蕩壓力燒結等。無論何種燒結方式,材料的燒結制度影響了硅粉的氮化率,選擇合適的升溫速率、燒結溫度和保溫時間會促進硅粉的氮化并提升材料的致密度和強度。當燒結溫度較低時,硅粉的氮化不完全;而燒結溫度過高時,氮化硅會發生分解,使材料致密度下降并損害其力學性能。

       

          在硅粉與氮氣發生反應的過程中,大致經歷兩個溫度段:首先是升溫階段,然后是原料的氮化反應階段。其中升溫階段裝置內的溫度由初始溫度升高至1100℃左右,而原料氮化反應階段的溫度在1100~1350℃。

       

      結語

       

          氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料具有低膨脹、高熱導、絕緣以及壽命長等特性。同時此材料耐腐蝕、抗氧化、抗侵蝕能力強、絕緣性好,對一般的無機酸與堿溶液以及熔融有色金屬均具有一定的承受能力。

       

          這些獨特高溫特性,使得氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料的市場需求量正在穩步提升。隨著工業科技的發展,對材料制品的尺寸、精度要求越來越高,尤其在復雜形狀的異形件上更為突出,市場對陶瓷及耐火材料的需求不僅只有形狀簡單的磚和大板,對一些異形件、小型件及薄板的需求也在逐年增多。為適應市場要求,還需要研究制定氮化硅/碳化硅復合陶瓷材料新的生產工藝路線,為市場增添形狀、尺寸多樣的氮化硅/碳化硅復合陶瓷制品。

       

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