幾類氮化物陶瓷的簡介

發布時間 | 2017-08-03 11:47 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 5583

磨料石墨金剛石氮化硅氮化硼氮化鋁

導讀：多數氮化物陶瓷的熔點都比較高，盡管氮化物的種類很多，但可作為材料應用的也是有限的。氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使對于硬度很低的六方BN，當其晶體結構轉變為立方結構后則具有僅次于...

多數氮化物陶瓷的熔點都比較高，盡管氮化物的種類很多，但可作為材料應用的也是有限的。氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使對于硬度很低的六方BN，當其晶體結構轉變為立方結構后則具有僅次于金剛石的硬度。BN，Si₃N₄，AlN等在高溫下不出現熔融狀態，而是直接升華分解。氮化物陶瓷主要有氮化硅(Si₃N₄)、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氮化鈦（TiN）和賽隆陶瓷等。

圖1 各類氮化物陶瓷

和氧化物相比，氮化物抗氧化能力較差，從而限制了其在空氣中的使用。氮化物的導電性能變化很大，一部分過渡金屬氮化物屬于間隙相，其晶體結構與原來金屬元素的結構是相同的，氮則填隙于金屬原子間隙之中，它們都具有金屬的導電特性。B、Si、Al元素的氮化物則由于生成共價鍵晶體結構而成為絕緣體。

1. 氮化硅陶瓷

1.1 氮化硅的基本特性

aα-Si₃N₄：低溫型，是針狀結晶體。β-Si₃N₄：高溫型，是顆粒狀結晶體。將高純硅在1200-1300℃下氮化，可得到白色或灰白色的α-Si₃N₄，而在1450℃左右氮化時，可得到β-Si₃N₄。

aα-Si₃N₄在1400-1600℃下加熱，會轉變成β-Si₃N₄。1900℃分解。Si₃N₄強度和韌性優于SiC，但抗氧化性和高溫強度不及SiC。

1.2 氮化硅的制備技術

（a）氮化硅粉末合成：

表1 Si₃N₄粉末的合成方法

（b）燒結助劑：MgO、Al₂O₃、Y₂O₃

（c）燒結方法：常壓燒結、氣壓燒結、熱壓燒結、反應燒結、熱等靜壓燒結

圖2 氮化硅粉體

1.3 氮化硅陶瓷性能與應用

（1）Si₃N₄陶瓷材料具有耐高溫耐磨性能，在陶瓷發動機中用于制備燃氣輪機的轉子、定子和渦形管；無水冷陶瓷發動機中，用熱壓Si₃N₄做活塞頂蓋；用反應燒結Si₃N₄可做燃燒器，它還可用作柴油機的火花塞、活塞罩頂、汽缸套、副燃燒室以及活塞－渦輪組合式航空發動機的零件等。

圖3 陶瓷渦輪轉子與葉片

（2）Si₃N₄陶瓷材料具有耐磨性好、強度高、摩擦系數小的特點，彎曲強度比較高，硬度也很高，同時摩擦系數小，具有自潤滑性，摩擦系數小(只有0.1)。因此它可以被廣泛用于機械工業，如制造軸承、滾珠、滾柱、滾珠座圈、高溫螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。

圖4 氮化硅軸承

（3）Si₃N₄陶瓷材料的化學穩定性很好，耐氫氟酸以外的所有無機酸和某些堿液的腐蝕，也不被鉛、鋁、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤與腐蝕。因此它可以被廣泛用于化工化學工業上的制備耐蝕耐磨零件，如球閥、密封環、過濾器、熱交換器部件、管道、觸媒載體等。

（4）Si₃N₄陶瓷材料的高溫電阻率比較高(10¹³-10¹⁴Ω·cm)，一方面可以作為較好的絕緣材料；同時還可以用于電子、軍事和核工業上，如開關電路基片、薄膜電容器、高溫絕緣體、雷達天線罩、導彈噴管、炮筒內襯、核反應堆的支承件等。

此外，Si₃N₄陶瓷還可用作熱機材料、切削工具、高級耐火材料等。

圖5 氮化硅刀具

2. 氮化硼陶瓷

氮化硼(BN)有兩種晶型：立方BN和六方BN，在高溫高壓下六方BN可轉變為立方BN。

立方氮化硼(C-BN)：其結構和性能與金剛石類似，其硬度僅次于金剛石，化學惰性比金剛石和硬質合金好。C-BN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屬在內全部金屬和非金屬，且可用于精加工。

圖6 各類材料的硬度比較

六方氮化硼(H-BN)：其結構和性能與石墨類似，又稱之為白石墨，是良好的高溫潤滑材料和高溫電絕緣材料。H-BN與大多數金屬不反應、不潤濕，可作為熔化和輸送金屬的坩鍋或管道。可制造高溫結構部件，如火箭燃燒室內襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發電機的耐蝕件等。還可作為高溫、高頻、高壓絕緣的散熱部件，半導體封裝散熱底板，核反應堆中的中子吸收和屏蔽材料。