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氮化硅陶瓷的增韌方法與應用

發布時間:2021-07-09 14:40:55

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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前言

氮化硅是一百多年前就已經發現的氮和硅的化合物,最早在德國合成,20世紀50年代才開始有應用。作為工程材料,到60年代受到重視。氮化硅是人工合成的物質,自然界尚未發現有天然存在的氮化硅。




氮化硅陶瓷作為一種高溫結構陶瓷,具有強度高、抗熱震穩定性好、高溫蠕變小、耐磨、優良的抗氧化性和化學穩定性高等特點,是優良的工程陶瓷之一。雖然氮化硅具有良好的性能,但是它也具有陶瓷的共性——脆性。脆性這一致命弱點,使其在應用中的可靠性得不到保障。因此改善其韌性,提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一個重要方向。


增韌方法


1、顆粒增韌

顆粒增韌就是在Si3N4材料中加入一定粒度的具有高彈性模量的顆粒,如SiC,TiC、TiN等。顆粒增韌與溫度無關,可以作為高溫增韌機制。但此法一般只能取得40%一70%的增韌效果,其增韌效果不明顯。


2、相變增韌

ZrO2相變增韌是將ZrO2顆粒彌散在Si3N4基體中,利用四方相向單斜相的應力誘發相變而產生5%左右的體積變化,可以抵消外加應力、阻止裂紋的擴展,達到增韌目的。


3、纖維增韌

纖維增韌即利用C,SiC等長纖維對Si3N4陶瓷進行復合增韌,其機理主要是裂紋偏轉或分叉、拔出效應和橋聯效應。


4、自增韌

自增韌就是通過調整材料組分和控制制備工藝條件使一部分Si3N4晶粒原位發育成具有較高長徑比的柱狀晶粒,從而獲得類似纖維增韌的種種機制,達到增韌的效果。


5、層狀增韌

近年來,國內外學者從生物界得到啟示:貝殼具有的層狀結構可以產生較大的韌性,因而可以從材料的宏觀結構角度出發來設計新型材料即層狀復合陶瓷材料。


6、碳纖維增韌

碳纖維由原料纖維高溫燒成,經過了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝,具有強度高、模量高、密度低、耐高溫、線脹系數小、熱導率高等優點。作為補強增韌材料,它克服了其它增韌材料的缺點。 碳纖維能否在氮化硅基體內起補強作用的先決條件首先要解決好碳纖維補強的實際效果,最終取決于燒結后碳纖維與氮化硅基體結合的程度。


7、碳納米管增韌

理論計算表明,碳納米管具有極高的強度和極好的韌性。碳納米管的力學性能優良,其強度約為鋼100倍,密度卻只有鋼的1/6,且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性,被認為是未來的“超級纖維”。

碳納米管增韌氮化硅陶瓷復合材料的主要機制為纖維拔出機制。



氮化硅陶瓷的應用


1、航天軍工領域

航空制造是制造業中高新技術最集中的領域,屬于先進制造技術,是新材料、新工藝和新技術的佼佼者。以飛機的渦輪發動機為例,闡述航空制造中氮化硅的應用。

陶瓷氮化硅耐熱,可在1400℃時仍然有高的強度、剛度(但超過1200℃時力學強度會下降),但比較脆,使用連續纖維增強的增強陶瓷可應用于渦輪部件,特別是小發動機的陶瓷葉片,渦輪外環和空氣軸承。此外,氮化硅陶瓷比密度小,密度僅為鋼軸承的41%,可有效降低飛機發動機重量,減低油耗。


2、機械工程領域

氮化硅陶瓷摩擦系數小,有自潤滑性,強度高,熱膨脹系數小,體積受溫度變化小,有效防止球/密封環卡死,可制成軸承滾珠及機械密封環。

氮化硅強度大,可用于軸承制造,可承受嚴酷的工作環境,工作壽命也高于一般軸承,但制作成本也比較高。 

傳統的閥門是金屬材料,由于受金屬材料自身限制,金屬的腐蝕破壞對閥門耐磨性、可靠性、使用壽命具有相當大的影響;一些應用于石油工業的金屬閥門易受到化學腐蝕,失去工作能力。而氮化硅陶瓷優良的耐腐蝕性、耐磨性、抗高溫性,能夠勝任這一領域。


3、超細研磨領域

氮化硅硬度高,硬度僅次于金剛石,立方氮化硼。因其消耗非常低,降低了研磨介質的磨損及對研磨材料的污染,有利于獲取更高純度的超細粉體。


4、高性能機床切削刀具

在現代化加工過程中,提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術。氮化硅刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削,其切削耐用度比硬質合金刀具高幾倍至十幾倍氮化硅具有非常高的耐磨性,它比硬質合金有更好的化學穩定性,可在高速條件下切削加工并持續較長時間,比用硬質合金刀具平均提高效率3倍以上。



參考來源:

趙世坤.碳納米管增韌氮化硅陶瓷的研究

鐘晶等. 碳化硅增強氮化硅陶瓷復合材料的制備與表征

豆鵬飛.碳材料增韌氮化硅陶瓷研究進展


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