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浅谈氮化硅精密陶瓷工艺技术
2019.02.19

首选来了解一下氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷,是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高,尤其是热压氮化硅,是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。

Si3N4 陶瓷是一种共价键化合物,基本结构单元为[ SiN4 ]四面体,硅原子位于四面体的中心,在其周围有四个氮原子,分别位于四面体的四个顶点,然后以每三个四面体共用一个原子的形式,在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。

其次,氮化硅陶瓷的整个生产工艺流程

氮化硅陶瓷制品的生产方法有两种,即反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法是将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生产方法成型。然后在氮化炉内,在1150~1200℃预氮化,获得一定强度后,可在机床上进行机械加工,接着在1350~1450℃进一步氮化18~36h,直到全部变为氮化硅为止。这样制得的产品尺寸精确,体积稳定。热压烧结法则是将氮化硅粉与少量添加剂(如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等),在19.6MPa以上的压力和1600~1700℃条件下压热成型烧结。通常热压烧结法制得的产品比反应烧结制得的产品密度高,性能好。

最后,来了解下氮化硅陶瓷生产过程中的各个工艺环节

【成型工艺】

氮化硅陶瓷成型工艺有很多种,今天简单的介绍其中一种:

注凝成型

注凝成型技术将传统的陶瓷工艺和有机聚合物化学结合,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷成型工艺中,通过制备低粘度、高固相含量的陶瓷浆料来实现净尺寸成型高强度、高密度、均匀性好的陶瓷坯体。该工艺的基本原理是在低粘度高固相含量的浆料中加入有机单体,在催化剂和引发剂的作用下,使浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构,从而使浆料原位固化成型。然后再进行脱模、干燥、去除有机物、烧结,即可得到所需的陶瓷零件。

凝胶注模成型是一种实用性很强的技术,它具有以下几个显著特点:

可适用于各种陶瓷材料,成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件;

由于定型过程和注模操作是完全分离的,定型是靠浆料中有机单体原位聚合形成交链网状结构的凝胶体来实现的。所以成型坯体组分均匀、密度均匀、缺陷少;

浆料的凝固定型时间较短且可控。根据聚合温度和催化剂的加入量不同,凝固定型时间一般可控在5~60min;

该工艺所用模具为无孔模具,且对模具无特殊要求,可以是金属、玻璃或塑料等。

坯体中有机物含量较小,其质量分数一般为3%~5%。但强度较高,一般在10MPa以上。可对坯体进行机加工(车、磨、刨、铣、钻孔、锯等),从而取消或减少烧结后的加工;

这是一种净尺寸成型技术。由于坯体的组分和密度均匀,因而在干燥和烧结过程中不会变形,烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例;

所用陶瓷料为高固相(体积分数不小于50%)、低粘度(小于1Pas)。浆料的固相含量是影响成型坯体的密度、强度及均匀性的因素,粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。这也是应用该技术的难点和能否成功的关键。

【烧结工艺】

氮化硅陶瓷材料烧结工艺

致密氮化硅陶瓷材料常用的烧结方式有以下几种:反应烧结、气压烧结、热等静压烧结以及热压烧结,近年来放电等离子烧结、无压烧结等烧结方式也因其具有的不同优势受到学者的关注。

(1)气压烧结

气压烧结时较高的氮气压可使氮化硅的分解温度升高,因此气压烧结氮化硅时一般采用较高的烧结温度,而烧结温度的升高有利于氮化硅晶粒的生长和完善,有利于提高烧结体的热导率。

(2)反应烧结

反应烧结指将原料成型体在一定温度下通过固相,液相和气相相互间发生化学反应,同时进行致密化和规定组分的合成,得到预定的烧结体的过程。在反应烧结过程中液相的存在是非常重要的。反应烧结制备氮化硅陶瓷工艺为:将高纯度硅粉与粘结剂混合后成型,然后放入N2气氛或浸入熔融的硅中,使坯体中的硅或氮气或熔融硅反应来制备氮化硅制品。

(3)无压烧结

无压烧结指在正常压力(0.1MPa)下,将具有一定形状的陶瓷素坯经高温煅烧,物理化学反应制成致密、坚硬、体积稳定,具有一定性能的固结体的过程。为了降低氮化硅材料的成本,运用便宜的低纯度β-Si3N4粉末,通过无压烧结制备了氮化硅陶瓷材料,发现β-Si3N4粉末具有很好的烧结性能,得到由柱状颗粒和小球状颗粒形成的嵌套结构,结构组成比较均匀,没有晶粒的异常生长。

(4)放电等离子烧结

放电等离子烧结具有升温快、加热均匀以及烧结温度等特点,可完成致密烧结体的快速烧结,而这对于高热导率氮化硅烧结制备过程的影响较小,在烧结后依旧需要长时间的高温热处理获得晶粒生长较好的氮化硅陶瓷材料。

(5)重烧结

重烧结是指将反应烧结后的氮化硅坯体在烧结助剂存在的情况下,置于氮化硅粉末中,然后在高温下进行重烧结,从而得到致密的氮化硅制品。烧结助剂可以在硅粉球磨时引入,也可以用浸渍的方法在反应烧结之后引入。因为反应烧结过程可进行预加工,在重烧结过程中的收缩仅有5%-10%,所以此方法可制备性能优良且形状复杂的部件。

氮化硅具有强共价键结构,它的烧结非常困难,同时氮化硅材料即便在高温下,氮和硅的体扩散系数也很小,与此同时在1600℃以上,氮化硅就会明显分解,因此,如何实现高强度且致密氮化硅陶瓷材料的低成本制备技术是当前氮化硅烧结工艺研究的重点。

最后,和大家分享一下氮化硅陶瓷的应用:

利用Si3N4重量轻和刚度大的特点,可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度,产生热量少,而且能在较高的温度和腐蚀性介质中操作。用Si3N4陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热等特性,用于650℃锅炉几个月后无明显损坏,而其它耐热耐蚀合金钢喷嘴在同样条件下只能使用1-2个月.由中科院上海硅酸盐研究所与机电部上海内燃机研所共同研制的Si3N4电热塞,解决了柴油发动机冷态起动困难的问题,适用于直喷式或非直喷式柴油机。这种电热塞是当今最先进、最理想的柴油发动机点火装置。日本原子能研究所和三菱重工业公司研制成功了一种新的粗制泵,泵壳内装有由11个Si3N4陶瓷转盘组成的转子。由于该泵采用热膨胀系数很小的Si3N4陶瓷转子和精密的空气轴承,从而无需润滑和冷却介质就能正常运转。如果将这种泵与超真空泵如涡轮——分子泵结合起来,就能组成适合于核聚变反应堆或半导体处理设备空系统。

以上只是Si3N4陶瓷作为结构材料的几个应用实例,相信随着Si3N4粉末生产、成型、烧结及加工技术的改进,其性能和可靠性将不断提高,氮化硅陶瓷将获得更加广泛的应用。由于Si3N4原料纯度的提高,Si3N4粉末的成型技术和烧结技术的迅速发展,以及应用领域的不断扩大,Si3N4正在作为工程结构陶瓷,在工业中占据越来越重要的地位。Si3N4陶瓷具有优异的综合性能和丰富的资源,是一种理想的高温结构材料,具有广阔的应用领域和市场,世界各国都在竞相研究和开发。陶瓷材料具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化性、抗热冲击及低比重等特点。可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境,具有广泛的应用前景。成为继金属材料、高分子材料之后支撑21世纪支柱产业的关键基础材料,并成为最为活跃的研究领域之一,当今世界各国都十分重视它的研究与发展,作为高温结构陶瓷家族中重要成员之一的Si3N4陶瓷,较其它高温结构陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有更为优异的机械性能、热学性能及化学稳定性.因而被认为是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料。

可以预言,随着陶瓷的基础研究和新技术开发的不断进步,特别是复杂件和大型件制备技术的日臻完善,Si3N4陶瓷材料作为性能优良的工程材料将得到更广泛的应用。