几类氮化物陶瓷的简介

发布时间 | 2017-08-03 11:47 分类 | 粉体应用技术点击量 | 5075

磨料石墨金刚石氮化硅氮化硼氮化铝

导读：多数氮化物陶瓷的熔点都比较高，尽管氮化物的种类很多，但可作为材料应用的也是有限的。氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使对于硬度很低的六方BN，当其晶体结构转变为立方结构后则具有仅次于...

多数氮化物陶瓷的熔点都比较高，尽管氮化物的种类很多，但可作为材料应用的也是有限的。氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使对于硬度很低的六方BN，当其晶体结构转变为立方结构后则具有仅次于金刚石的硬度。BN，Si₃N₄，AlN等在高温下不出现熔融状态，而是直接升华分解。氮化物陶瓷主要有氮化硅(Si₃N₄)、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、氮化钛（TiN）和赛隆陶瓷等。

图1 各类氮化物陶瓷

和氧化物相比，氮化物抗氧化能力较差，从而限制了其在空气中的使用。氮化物的导电性能变化很大，一部分过渡金属氮化物属于间隙相，其晶体结构与原来金属元素的结构是相同的，氮则填隙于金属原子间隙之中，它们都具有金属的导电特性。B、Si、Al元素的氮化物则由于生成共价键晶体结构而成为绝缘体。

1. 氮化硅陶瓷

1.1 氮化硅的基本特性

aα-Si₃N₄：低温型，是针状结晶体。β-Si₃N₄：高温型，是颗粒状结晶体。将高纯硅在1200-1300℃下氮化，可得到白色或灰白色的α-Si₃N₄，而在1450℃左右氮化时，可得到β-Si₃N₄。

aα-Si₃N₄在1400-1600℃下加热，会转变成β-Si₃N₄。1900℃分解。Si₃N₄强度和韧性优于SiC，但抗氧化性和高温强度不及SiC。

1.2 氮化硅的制备技术

（a）氮化硅粉末合成：

表1 Si₃N₄粉末的合成方法

（b）烧结助剂：MgO、Al₂O₃、Y₂O₃

（c）烧结方法：常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应烧结、热等静压烧结

图2 氮化硅粉体

1.3 氮化硅陶瓷性能与应用

（1）Si₃N₄陶瓷材料具有耐高温耐磨性能，在陶瓷发动机中用于制备燃气轮机的转子、定子和涡形管；无水冷陶瓷发动机中，用热压Si₃N₄做活塞顶盖；用反应烧结Si₃N₄可做燃烧器，它还可用作柴油机的火花塞、活塞罩顶、汽缸套、副燃烧室以及活塞－涡轮组合式航空发动机的零件等。

图3 陶瓷涡轮转子与叶片

（2）Si₃N₄陶瓷材料具有耐磨性好、强度高、摩擦系数小的特点，弯曲强度比较高，硬度也很高，同时摩擦系数小，具有自润滑性，摩擦系数小(只有0.1)。因此它可以被广泛用于机械工业，如制造轴承、滚珠、滚柱、滚珠座圈、高温螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。

图4 氮化硅轴承

（3）Si₃N₄陶瓷材料的化学稳定性很好，耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被铅、铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀。因此它可以被广泛用于化工化学工业上的制备耐蚀耐磨零件，如球阀、密封环、过滤器、热交换器部件、管道、触媒载体等。

（4）Si₃N₄陶瓷材料的高温电阻率比较高(10¹³-10¹⁴Ω·cm)，一方面可以作为较好的绝缘材料；同时还可以用于电子、军事和核工业上，如开关电路基片、薄膜电容器、高温绝缘体、雷达天线罩、导弹喷管、炮筒内衬、核反应堆的支承件等。

此外，Si₃N₄陶瓷还可用作热机材料、切削工具、高级耐火材料等。

图5 氮化硅刀具

2. 氮化硼陶瓷

氮化硼(BN)有两种晶型：立方BN和六方BN，在高温高压下六方BN可转变为立方BN。

立方氮化硼(C-BN)：其结构和性能与金刚石类似，其硬度仅次于金刚石，化学惰性比金刚石和硬质合金好。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属在内全部金属和非金属，且可用于精加工。

图6 各类材料的硬度比较

六方氮化硼(H-BN)：其结构和性能与石墨类似，又称之为白石墨，是良好的高温润滑材料和高温电绝缘材料。H-BN与大多数金属不反应、不润湿，可作为熔化和输送金属的坩锅或管道。可制造高温结构部件，如火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等。还可作为高温、高频、高压绝缘的散热部件，半导体封装散热底板，核反应堆中的中子吸收和屏蔽材料。