先進(jìn)陶瓷材料第七講結(jié)構(gòu)陶瓷材料(V)-非氧化物陶瓷材料

1、先進(jìn)陶瓷材料 中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院 第七講第七講 結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷材料( (v)v) 非氧化物陶瓷材料非氧化物陶瓷材料 非氧化物陶瓷材料非氧化物陶瓷材料 n氮化物陶瓷氮化物陶瓷 n其他非氧化物陶瓷其他非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 n氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 n賽隆陶瓷賽隆陶瓷 n氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷 n氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 n氮化鈦陶瓷氮化鈦陶瓷 氮化物陶瓷氮化物陶瓷 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化物表示為：氮化物表示為：mexny ( me：金屬元素：金屬元素) 氮化物的一般特征：氮化物的一般特征： 大部分為立方晶系和六方晶系大部分為立方晶系和六方晶系 密度：密

2、度：2.5-16 高熔點：高熔點：2000以上以上 高硬度：高硬度：8-9（莫氏硬度）（莫氏硬度） 電性能：導(dǎo)體或絕緣體電性能：導(dǎo)體或絕緣體 高溫性能優(yōu)異高溫性能優(yōu)異 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 典型氮化物的性質(zhì)典型氮化物的性質(zhì) 材料材料熔點熔點/ 密度密度 g/cm3 電阻率電阻率/.m 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 /w.(m.k)-1 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) /10-6k-1 莫氏莫氏 硬度硬度 si3n41900(升華升華)3.1810111.67-2.092.59 aln2450（升華）（升華）3.262.010920.1-30.144.03-6.097-8 bn3000（升華）（升華）2.271011

3、15.07-28.890.59-10.512 tin39505.432.1710-729.309.38-9 zrn29807.321.3610-713.826-78-9 hfn33101421.658-9 tan310014.11.3510-78 scn26504.2 un265013.52 可能作為結(jié)構(gòu)材料的氮化物陶瓷：可能作為結(jié)構(gòu)材料的氮化物陶瓷： si3n4、賽隆、賽隆、aln、bn、tin陶瓷材料陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷概述氮化硅陶瓷概述 研究歷程研究歷程60年代興起年代興起 期望的燃?xì)廨啓C材料期望的燃?xì)廨啓C材料 世界范圍內(nèi)大量的投入、廣

4、泛的研究世界范圍內(nèi)大量的投入、廣泛的研究 從氮化硅陶瓷材料的制備、氮化硅的結(jié)晶化學(xué)從氮化硅陶瓷材料的制備、氮化硅的結(jié)晶化學(xué) 以及氮化硅的物理化學(xué)都取得了豐富的成果以及氮化硅的物理化學(xué)都取得了豐富的成果 其材料的制備已經(jīng)不局限于單一的氮化硅其材料的制備已經(jīng)不局限于單一的氮化硅 以氮化硅為基的多種固溶體及復(fù)合材料以氮化硅為基的多種固溶體及復(fù)合材料 形成了較完整的形成了較完整的以氮化硅為基的陶瓷領(lǐng)域以氮化硅為基的陶瓷領(lǐng)域 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮氮 化化 硅硅 發(fā)發(fā) 展展 簡簡 史史 黎明前期黎明前期 1944年年 氮化硅粉末合成氮化硅粉末合成 黎明期黎明期 1952年年 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅反應(yīng)

5、燒結(jié)氮化硅 成長期成長期 1960-1980 制備工藝形成和完善制備工藝形成和完善 熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能提高熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能提高 無壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、重?zé)Y(jié)、熱等靜壓無壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、重?zé)Y(jié)、熱等靜壓 展開期展開期 1980-1990 材料應(yīng)用材料應(yīng)用 發(fā)動機部件、燃?xì)廨啓C發(fā)動機部件、燃?xì)廨啓C 充實期充實期 1990-現(xiàn)在現(xiàn)在 1）材料性能進(jìn)一步提高）材料性能進(jìn)一步提高 2）提高材料的可靠性、均勻性、重復(fù)性）提高材料的可靠性、均勻性、重復(fù)性 3）穩(wěn)定工藝、降低成本）穩(wěn)定工藝、降低成本 4）實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 新熱點新熱點 1996年年 現(xiàn)在現(xiàn)在 1）立方氮化硅的合成與

6、研究）立方氮化硅的合成與研究 2）高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的研究）高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的研究 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅的結(jié)構(gòu)氮化硅的結(jié)構(gòu) 氮化硅有三種晶型：氮化硅有三種晶型： -si3n4、 -si3n4、c-si3n4 -氮化硅晶體結(jié)構(gòu)中的ab層 -氮化硅結(jié)構(gòu)的abab堆積 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 -氮化硅晶體結(jié)構(gòu)中的abcd層 -氮化硅結(jié)構(gòu)中的abcd堆積 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 c-si3n4 立方尖晶石結(jié)構(gòu)立方尖晶石結(jié)構(gòu) 1999年，德國人報導(dǎo)（年，德國人報導(dǎo)（15gpa， 2000合成）合成） nature c-si3n4 計算性質(zhì)計算性質(zhì) 密度：密度：3.873 （比（

7、比 -si3n4高高20-30%） 彈性模量：彈性模量：300gpa（比（比 -si3n4高高20-30% ） 硬度：大于硬度：大于33gpa 僅次于立方氮化硼僅次于立方氮化硼 金剛石金剛石立方氮化硼立方氮化硼立方氮化硅立方氮化硅 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅性質(zhì)氮化硅性質(zhì) 物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 1）外觀：白色或灰白色粉體；）外觀：白色或灰白色粉體； 2）密度）密度3.190.1 3）熱學(xué)性質(zhì)：高溫難熔化合物，無熔點，）熱學(xué)性質(zhì)：高溫難熔化合物，無熔點， 1900分解；高溫承載能力高；分解；高溫承載能力高； 膨脹系數(shù)小；熱導(dǎo)率高（膨脹系數(shù)?。粺釋?dǎo)率高（1.59-155） 4）電絕緣

8、性：電阻率）電絕緣性：電阻率 1015-1018 5）化學(xué)穩(wěn)定性：抗氧化、抗熔融金屬腐蝕）化學(xué)穩(wěn)定性：抗氧化、抗熔融金屬腐蝕 抗酸堿腐蝕?？顾釅A腐蝕。 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 力學(xué)性能力學(xué)性能 1）硬度：氮化硅）硬度：氮化硅碳化硼碳化硼立方氮化硼立方氮化硼1800）；）； 常壓下，常壓下，1900分解分解 致密化途徑：添加劑致密化途徑：添加劑液相燒結(jié)液相燒結(jié) 高性能粉體高性能粉體 先進(jìn)燒結(jié)方法先進(jìn)燒結(jié)方法 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 1）常壓燒結(jié)氮化硅）常壓燒結(jié)氮化硅 引入適當(dāng)添加劑引入適當(dāng)添加劑 1700-1800保溫保溫2-4小時小時 材料相對密度材料相對密度95%左右左右 工藝簡

9、單工藝簡單 用途廣用途廣 適合復(fù)雜產(chǎn)品適合復(fù)雜產(chǎn)品 玻璃相多玻璃相多高溫性能差高溫性能差 5%mgo +5%ceo2 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 2）反應(yīng)重?zé)Y(jié)氮化硅）反應(yīng)重?zé)Y(jié)氮化硅 硅粉燒結(jié)添加劑硅粉燒結(jié)添加劑 1450反應(yīng)燒結(jié)（前軀體）反應(yīng)燒結(jié)（前軀體） 前軀體前軀體機械加工機械加工 加工后加工后1800，n2氣氛（重?zé)Y(jié)）氣氛（重?zé)Y(jié)） 燒結(jié)收縮：燒結(jié)收縮：6% 繼承了反應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點繼承了反應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點 提高了材料致密度（提高了材料致密度（98%） 要求硅粉粒度小要求硅粉粒度小 工藝周期長，能耗高。工藝周期長，能耗高。 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 3）熱壓燒結(jié)）熱壓燒結(jié)(hp-si

10、ntered)氮化硅氮化硅 引入較少量的添加劑引入較少量的添加劑 在在30mpa的壓力下燒結(jié)成制品的壓力下燒結(jié)成制品 制品密度：制品密度：99%100% 燒結(jié)溫度：燒結(jié)溫度：1800 氣氣 氛：氛：n2 工藝簡單；工藝簡單； 產(chǎn)品性能優(yōu)異；產(chǎn)品性能優(yōu)異； 只能做簡單件；只能做簡單件； 生產(chǎn)效率低；生產(chǎn)效率低； 6%yb2o3 14%yb2o3 10%yb2o3 18%yb2o3 不同添加劑含量的熱壓氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 4）氣壓燒結(jié)（）氣壓燒結(jié)（gps）氮化硅）氮化硅 小于小于10mpa的氮氣壓力，的氮氣壓力，1800以上燒結(jié)以上燒結(jié) 添加劑可降低、實現(xiàn)添加劑可降

11、低、實現(xiàn)1900以上燒結(jié)以上燒結(jié) 燒結(jié)分兩步進(jìn)行：燒結(jié)分兩步進(jìn)行： 0.1-0.5氮氣壓力，氮氣壓力，1600-1900 燒結(jié)助劑熔化、氮化硅顆粒重排、坯體致燒結(jié)助劑熔化、氮化硅顆粒重排、坯體致 密化；密化； 大于大于1mpa氮氣壓力，氮氣壓力，1850-2000 坯體進(jìn)一步致密化、晶?？焖偕L坯體進(jìn)一步致密化、晶?？焖偕L 所得材料性能優(yōu)良所得材料性能優(yōu)良 尤其適合具有大晶粒材料的制備尤其適合具有大晶粒材料的制備 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷的晶界工程氮化硅陶瓷的晶界工程 形成固溶體，凈化晶界形成固溶體，凈化晶界 引入引入al2o3 或或aln等等 sialon 高熔點、高粘度玻

12、璃相、提高玻璃相耐火高熔點、高粘度玻璃相、提高玻璃相耐火 度度提高高溫性能。提高高溫性能。 0 200 400 600 800 1000 1200 10 12 8 6 4 2 0 sy-snsw-sn fracture toughness / mpa.m1/2 strength at room temperature strength at 1200 centigrade toughness flexural strength / mpa sm-sn 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 玻璃相析晶，凈化晶界玻璃相析晶，凈化晶界 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅基復(fù)合材料氮化硅基復(fù)合材料 自增韌氮

13、化硅自增韌氮化硅 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 si3n4/sic復(fù)合材料復(fù)合材料 si3n4/tin復(fù)合材料復(fù)合材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 賽?。ㄙ惵。╯ialon）陶瓷）陶瓷 賽隆陶瓷概述賽隆陶瓷概述 70年代年代晶界凈化工程興起晶界凈化工程興起 “瞬間液相燒結(jié)瞬間液相燒結(jié)”構(gòu)想構(gòu)想 研究相圖研究相圖發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了 -si3n4固溶體固溶體 sialon 特點：單相特點：單相sialon（si4al2o2n6） 室溫強度：室溫強度：

14、44060 400強度：強度：41030 1400強度：約強度：約400 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 提高強度：引入提高強度：引入y2o3 研究證明：研究證明： aln和其他大離子和其他大離子li、ca、y等高溫時可同時進(jìn)等高溫時可同時進(jìn) 入入 -si3n4的晶格，形成高溫穩(wěn)定的固溶體的晶格，形成高溫穩(wěn)定的固溶體 -sialon sialon：氮化硅中的：氮化硅中的si原子和原子和n原子部分地被原子部分地被al或或 （al+m(金屬離子金屬離子)）及）及o原子置換所形成的一大原子置換所形成的一大 類固溶體的總稱。類固溶體的總稱。 賽隆陶瓷賽隆陶瓷 保留了氮化硅陶瓷的優(yōu)良性質(zhì)保留了氮化硅陶瓷的

15、優(yōu)良性質(zhì) 提高了韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性提高了韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 單相賽隆陶瓷的分類及特性單相賽隆陶瓷的分類及特性 早期的研究從單相早期的研究從單相sialon開始開始 單相單相sialon主要包括：主要包括： -sialon -sialon o-sialon x相相 aln多型體多型體 目前已經(jīng)顯示出目前已經(jīng)顯示出 工業(yè)應(yīng)用價值工業(yè)應(yīng)用價值 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 -sialon（簡稱（簡稱 ） -si3n4與與aln、al2o3的固溶體的固溶體 l結(jié)構(gòu)通式：結(jié)構(gòu)通式：si6-zalzozn8-z（0 z 4.2） - si3n4-aln-al2

16、o3-sio2 系統(tǒng)最穩(wěn)定的晶相 系統(tǒng)最穩(wěn)定的晶相 l外觀：外觀： -sialon與與 -si3n4同屬六方晶系同屬六方晶系 六方柱狀晶體、比六方柱狀晶體、比 - si3n4粗大粗大 l密度：與密度：與z值有關(guān)，值有關(guān)，z: 0 4.2 ：3.23.05 l熱學(xué)性質(zhì)：膨脹系數(shù)低于氮化硅熱學(xué)性質(zhì)：膨脹系數(shù)低于氮化硅 l化學(xué)穩(wěn)定性：優(yōu)于氮化硅化學(xué)穩(wěn)定性：優(yōu)于氮化硅 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 -sialon（z=3）的性質(zhì)）的性質(zhì) 韋伯模量韋伯模量15 三點抗彎強度三點抗彎強度945 抗拉強度抗拉強度450 抗壓強度抗壓強度3500 彈性模量彈性模量300 硬度硬度1800（hv0.5） 密度密

17、度3.259 膨脹系數(shù)（膨脹系數(shù)（0-120）3.04 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率22 磨擦系數(shù)（賽隆磨擦系數(shù)（賽隆/賽隆賽隆 80 油）油）0.04 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 o-sialon（簡稱（簡稱o ） al2o3固溶于固溶于si2n2o中形成的固溶體中形成的固溶體 結(jié)構(gòu)上含氧量高結(jié)構(gòu)上含氧量高抗氧化性能強抗氧化性能強 l結(jié)構(gòu)通式：結(jié)構(gòu)通式：si2-xalxo1+xn2-x（0 z 0.4） l物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能 韌性：韌性：3.3 熱處理后熱處理后5.5 抗壓強度：抗壓強度：420 抗氧化性明顯優(yōu)于氮化硅和其它賽隆陶瓷抗氧化性明顯優(yōu)于氮化硅和其它賽隆陶瓷 氮化物陶瓷

18、材料氮化物陶瓷材料 m-si-al-o-n五元系及五元系及 -sialon（ ） l結(jié)構(gòu)通式：結(jié)構(gòu)通式： -si3n4的固溶體的固溶體 mxsi12-(m+n)alm+nonn14-n （m/v=x, v:填隙金屬填隙金屬m的電價）的電價） （m: al-n取代取代si-n的量）的量） （n: al-o取代取代si-n的量）的量） （m、n獨立變化）獨立變化） 組分復(fù)雜組分復(fù)雜 多種體系多種體系 m: li、ca、mg、y、ln (nd、sm、 gd、dy、er、yb等等) 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 l -sialon的形成與熱穩(wěn)定性的形成與熱穩(wěn)定性 研究指出：高溫下研究指出：高溫下 -s

19、ialon 可轉(zhuǎn)化為可轉(zhuǎn)化為 -sialon 一般所制備的一般所制備的sialon多為復(fù)相多為復(fù)相 -sialon經(jīng)熱處理經(jīng)熱處理 穩(wěn)定的細(xì)晶穩(wěn)定的細(xì)晶 -sialon 有利于提高力學(xué)性能有利于提高力學(xué)性能 l -sialon的力學(xué)性能的力學(xué)性能 等軸狀等軸狀 -sialon：高硬度（：高硬度（hra 93-94） 高耐磨性高耐磨性 低韌性低韌性 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 長柱狀長柱狀 -sialon：高韌性：高韌性 以以 -氮化硅為原料氮化硅為原料 柱狀晶粒形貌的柱狀晶粒形貌的 -sialon 具有具有 -sialon的高韌性的高韌性 具有具有 -sialon的高硬度的高硬度 制備高硬度

20、、高韌性陶瓷材料新途徑制備高硬度、高韌性陶瓷材料新途徑 l -sialon的光學(xué)性能的光學(xué)性能 稀土賽隆：透光性、光電性能稀土賽隆：透光性、光電性能 苛刻條件下的視窗材料苛刻條件下的視窗材料 半透明半透明dy- -sialon 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 l 常見常見 -sialon體系體系 li-si-al-o-n 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 ca-si-al-o-n 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 y-si-al-o-n re-si-al-o-n 典型典型: lu-si-al-o-n 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 復(fù)相賽隆陶瓷復(fù)相賽隆陶瓷 對材料綜合性能的追求對材料綜合性能的追求復(fù)相賽隆

21、復(fù)相賽隆 復(fù)相賽?。阂詮?fù)相賽?。阂詓ialon為基體的復(fù)相陶瓷材料為基體的復(fù)相陶瓷材料 利用利用si-al-o-n系相平衡合理設(shè)計系相平衡合理設(shè)計 外加第二相（晶須、纖維、顆粒彌散等）外加第二相（晶須、纖維、顆粒彌散等） 通過合理的剪裁和設(shè)計通過合理的剪裁和設(shè)計優(yōu)良綜合性能優(yōu)良綜合性能 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 基于基于si-al-o-n系相平衡的復(fù)相賽隆陶瓷系相平衡的復(fù)相賽隆陶瓷 相圖上的共存區(qū)相圖上的共存區(qū) 、 o 、aln多晶體多晶體 aln多晶體多晶體 組成設(shè)計組成設(shè)計 工藝控制工藝控制 復(fù)相陶瓷材料復(fù)相陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 （ ）-sialon 高強度、高硬度高

22、強度、高硬度 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 典型制備：典型制備： k.breder，1750，氣壓燒結(jié)復(fù)相賽隆，氣壓燒結(jié)復(fù)相賽隆 四點抗彎強度：四點抗彎強度：460mp y.ukyo, 常壓燒結(jié)復(fù)相賽隆，常壓燒結(jié)復(fù)相賽隆， 室溫強度：室溫強度：1.3gpa 1400：1.0gpa 鄔鳳英等，鄔鳳英等，1900，氣壓燒結(jié)復(fù)相賽隆，氣壓燒結(jié)復(fù)相賽隆 抗彎強度：抗彎強度：760mpa, 斷裂韌性斷裂韌性7.2 典型材料結(jié)構(gòu)：典型材料結(jié)構(gòu)： 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 mark i. jones, 0.1mpa n2、1800、40mpa 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)1h ym/3si12-(m+n)onn16

23、-n 斷口形貌斷口形貌 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 re-（ ）-sialon re dy、sm、yb等等 以其它稀土氧化物代替以其它稀土氧化物代替y2o3作為添加劑可以得作為添加劑可以得 到顯微結(jié)構(gòu)和性能各不相同的復(fù)相賽隆到顯微結(jié)構(gòu)和性能各不相同的復(fù)相賽隆 研究普遍認(rèn)為研究普遍認(rèn)為 sm 提高韌性提高韌性 yb 提高材料的硬度和抗氧化性提高材料的硬度和抗氧化性 la、nd、ce 調(diào)節(jié)材料的顯微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)材料的顯微結(jié)構(gòu) 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 (o+ )-sialon復(fù)相陶瓷復(fù)相陶瓷 o-sialon 膨脹系數(shù)低、抗氧化膨脹系數(shù)低、抗氧化 -sialon 高韌性高韌性 (o+ )-sia

24、lon 兼具二者的優(yōu)點兼具二者的優(yōu)點 其性能與其性能與 -sialon相的比例有關(guān)相的比例有關(guān) 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 外加增強增韌劑的復(fù)相賽隆陶瓷外加增強增韌劑的復(fù)相賽隆陶瓷 氧化鋯相變韌化復(fù)相氧化鋯相變韌化復(fù)相sialon陶瓷陶瓷 hriaon 首先在首先在 -sialon中中 引入氧化鋯引入氧化鋯 形成不可相變的四方氧化鋯形成不可相變的四方氧化鋯 無增韌效果無增韌效果 在在o-sialon 中引入氧化鋯中引入氧化鋯 增韌效果明顯增韌效果明顯 提高抗彎強度提高抗彎強度 提高抗氧化性提高抗氧化性 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 顆粒彌散強化復(fù)相顆粒彌散強化復(fù)相sialon陶瓷陶瓷 典型組

25、成：典型組成： -sialonsic 不影響相組成不影響相組成 硬度明顯提高硬度明顯提高 韌性有所降低韌性有所降低 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 silaon陶瓷的制備陶瓷的制備 粉體合成粉體合成 直接合成直接合成 碳熱還原碳熱還原 由有機物合成由有機物合成 自蔓延合成自蔓延合成 成型和燒結(jié)成型和燒結(jié) 結(jié)構(gòu)陶瓷的所結(jié)構(gòu)陶瓷的所 有成型和燒結(jié)有成型和燒結(jié) 方法均適用方法均適用 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 sialon陶瓷的應(yīng)用陶瓷的應(yīng)用 磨具材料磨具材料 金屬壓延或拉絲模金屬壓延或拉絲模 金屬切削刀具金屬切削刀具 耐高溫部件耐高溫部件 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷 氮化鋁

26、陶瓷概述氮化鋁陶瓷概述 1862年年geuther首次合成氮化鋁首次合成氮化鋁 20世紀(jì)世紀(jì) 50年代年代 耐火材料（鋁、鋁合金）耐火材料（鋁、鋁合金） 20世紀(jì)世紀(jì)90年代后年代后 微電子技術(shù)發(fā)展微電子技術(shù)發(fā)展 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 過熱失效過熱失效 電子產(chǎn)品失效原因：電子產(chǎn)品失效原因： 過熱過熱 55% 震動震動 20% 潮濕潮濕 19% 塵埃塵埃 6% 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化鋁綜合性能優(yōu)良氮化鋁綜合性能優(yōu)良 高熱導(dǎo)、電絕緣、低介電、低損耗高熱導(dǎo)、電絕緣、低介電、低損耗 基板材料基板材料 金剛石金剛石 立方氮化硼立方氮化硼 氧化鈹氧化鈹 氧化鋁氧化鋁 碳化硅碳化硅 氮化

27、鋁氮化鋁 氮化硅氮化硅 si gaas 已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的最好材料已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的最好材料 最廉價、目前應(yīng)用最多的材料最廉價、目前應(yīng)用最多的材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化鋁與其他陶瓷材料性能比較氮化鋁與其他陶瓷材料性能比較 性能性能alnsi3n4 al2o3 (99.5%) beosic堇青石堇青石 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率110-26050-15029-37260-29070-2701-3.2 膨脹膨脹 系數(shù)系數(shù) 3.8-4.42.56.67.2-83.7-3.81-3 抗彎抗彎 強度強度 275-500 600- 1000 420-500 170-270440100-110 密度密度 3.25- 3

28、.30 3.18 3.86- 3.92 2.85- 2.92 3.22.0-2.9 使用使用 溫度溫度 180017001600170019001100 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 影響氮化鋁熱導(dǎo)率的因素影響氮化鋁熱導(dǎo)率的因素 l晶格缺陷晶格缺陷 含氧量含氧量 l晶界缺陷晶界缺陷 雙重作用：凈化晶格（雙重作用：凈化晶格（o晶界）晶界） 晶界相低熱導(dǎo)率晶界相低熱導(dǎo)率 種類、分布、氣孔等均有影響種類、分布、氣孔等均有影響 比如：晶界相分布比如：晶界相分布 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 改善氮化鋁熱導(dǎo)率的途徑改善氮化鋁熱導(dǎo)率的途徑 l控制氮化鋁粉末質(zhì)量控制氮化鋁粉末質(zhì)量 高純度高純度 粒徑小粒徑小

29、 成型性好成型性好 l選擇合理種類和數(shù)量的燒結(jié)助劑選擇合理種類和數(shù)量的燒結(jié)助劑 228 187 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 l改善燒結(jié)工藝改善燒結(jié)工藝 u 燒結(jié)氣氛燒結(jié)氣氛 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 u燒結(jié)氣壓燒結(jié)氣壓 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 u 燒結(jié)溫度和時間燒結(jié)溫度和時間 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 氮化鋁的應(yīng)用氮化鋁的應(yīng)用 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 n 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 六方氮化硼六方氮化硼 白石墨白石墨 立方氮化硼立方氮化硼 具有近金剛石的性能具有近金剛石的性能 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料 應(yīng)用應(yīng)用 氮化物陶瓷材料

30、氮化物陶瓷材料 n氮化鈦氮化鈦 金黃色超硬材料金黃色超硬材料 主要應(yīng)用：主要應(yīng)用： 機械部件機械部件 （刀具硬化涂層）（刀具硬化涂層） 磨料、模具磨料、模具 高級裝飾高級裝飾 生物材料生物材料 碳化物陶瓷材料碳化物陶瓷材料 n碳化物陶瓷碳化物陶瓷 n硼化物陶瓷硼化物陶瓷 其他非氧化物陶瓷其他非氧化物陶瓷 碳化物陶瓷材料碳化物陶瓷材料 n典型碳化物及硼化物陶瓷及其物理特性典型碳化物及硼化物陶瓷及其物理特性 化合物化合物晶系晶系密度密度熔點熔點膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率彈性模量彈性模量顯微硬度顯微硬度 sic六方六方3.212600(分解分解)4.70.41840025 tic立方立方4.933

31、1477.740.17146030 zrc立方立方6.935306.740.20535529.3 hfc立方立方12.638905.60.06235929.1 b4c六方六方2.5124504.50.03838028 wc六方六方15.5527203.840.31871024.6 tib2六方六方4.52298055032.5 zrb2六方六方6.0930405.522.1 結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強韌化技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強韌化技術(shù) n相變增韌相變增韌 n顆粒彌散增韌顆粒彌散增韌 n纖維（晶須）增韌纖維（晶須）增韌 n協(xié)同增韌協(xié)同增韌 n自增韌自增韌 結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強韌化技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強韌化技術(shù) 相

32、變增韌相變增韌 氧化鋯相變氧化鋯相變 2 12051000 2 zrotzrom c 相變增韌：相變增韌： 在燒結(jié)過程中通過穩(wěn)定劑的作用將陶瓷材料中高溫的四方相在燒結(jié)過程中通過穩(wěn)定劑的作用將陶瓷材料中高溫的四方相 zro2全部或部分穩(wěn)定到室溫，以亞穩(wěn)相存在于材料中，材料受到外全部或部分穩(wěn)定到室溫，以亞穩(wěn)相存在于材料中，材料受到外 界應(yīng)力作用時，該亞穩(wěn)相在應(yīng)力誘導(dǎo)下將發(fā)生界應(yīng)力作用時，該亞穩(wěn)相在應(yīng)力誘導(dǎo)下將發(fā)生t-m相變，體積膨脹，相變，體積膨脹， 吸收裂紋擴展能量，提高材料的斷裂韌性。吸收裂紋擴展能量，提高材料的斷裂韌性。 增韌機理：增韌機理： 1. 應(yīng)力誘導(dǎo)四方氧化鋯相變，產(chǎn)生體積膨脹，吸收裂紋擴展能。應(yīng)力誘導(dǎo)四方氧化鋯相變，產(chǎn)生體積膨脹，吸收裂紋擴展能。 2. 微裂紋增韌微裂紋增韌 3. 裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn) 典型材料：典型