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一種新型結構陶瓷品種——賽隆
發布時間:2019-12-25 10:55 | 【 【打印】【關閉】

  賽?。╯ialon)是由Si、Al、O、N四種元素的合成詞,音譯為“賽隆”。賽隆陶瓷是Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總稱,是在Si3N4 陶瓷基礎上開發出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷,由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置換Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成。賽隆陶瓷由日本的Oyama和Kamigaito(1971年)及英國的Jack和Wilson(1972年)發現,他們在對氮化硅陶瓷各種添加劑的研究中發現了金屬氮化物中的固溶體,即在SiO2-Al2O3系統中發現了Si3N4的固溶體,這能有效地促進燒結,從而發現了這種新的無機非金屬材料——sialon(賽?。?。賽隆陶瓷的主要類別有β’-sialon、α’-sialon、O’-sialon三種,尤其以前兩種最為常見。 

    一、賽隆陶瓷的性能 

   由于賽隆陶瓷綜合了Si3N4優異的物理、力學性能和Al2O3優異的化學性能,有可能減少或消除熔點不高的玻璃態晶界,而以具有優良性能的固溶體形態存在,因此其具有諸多的優良性能:其硬度、耐磨性、耐蝕性、強度和韌性高、熱膨脹系數低、抗熱震性和抗氧化性好,抗氧化性與SiC的相當。常溫強度和高溫抗氧化性均優于Si3N4,但高溫強度不及Si3N4,賽隆陶瓷還具有化學性質穩定、耐磨性好、熱膨脹系數低、抗熱沖擊性好等特點,表1列舉部分賽隆陶瓷的主要性能。 

表1.賽隆陶瓷的主要性能       二、賽隆陶瓷的結構類型與特征 

 

   賽隆陶瓷根據結構和組分的不同,可分為三種類型:α’-賽隆、β’-賽隆、Ο’-賽隆及混合型賽隆。

  1.β’-賽?。?/span>有與β’-Si3N4相同的結構,具有較高的斷裂韌性。1981年時由英國盧卡斯·庫克森賽隆公司投放市場,美國肯納金屬、瑞典山特維克、日本東芝坦葛落依等公司相繼推出這種陶瓷產品。 

  2.α’-賽?。?/span>擁有與α’- Si3N4相同的結構,具有更高的硬度。日本品川白練瓦公司受日本新技術廳開發事業團的委托,用了兩年時間對科學技術廳無機材料研究所的研究成果“賽隆燒結體加工法”進行了實用化研究,成功開發了α’-賽隆的制造方法,并將其產品投放市場。隨后日本東芝坦葛洛依公司也推出了自己的α’-賽隆產品。α型賽隆是在氮化硅晶格間滲有微量金屬原子的固溶體,不但耐熱性好(1800~1900℃),而且硬度、強度高,由于選用了金屬原子,因此還具有導電性。 

表2. α’和β’賽隆陶瓷的典型性能 

    3.O’-賽?。?/span>與α’-和β’-賽隆一樣,是一種優良的工程陶瓷,它同樣具有很低的熱膨脹系數和良好的抗熱震性,可在1350℃下抗氧化,因此可應用于各種工程領域。 

表3 賽隆陶瓷和其他材料的性能對比 

    從上表可以看出:

    ①強度上,賽隆陶瓷的室溫強度盡管低于硬質合金,但明顯高于氧化鋁陶瓷,它還擁有一個重要的特點,會隨著溫度的升高,其強度一般都能在1200℃保持不變,甚至某些賽隆陶瓷強度會隨著溫度的升高而提高,直至1400℃,由此賽隆陶瓷還具有“超強度材料”之稱。 

   ②硬度上,賽隆陶瓷的室溫硬度并不是很高,但會隨著溫度的上升,其硬度的保持性明顯優于硬質合金及其他陶瓷,以致在高于400℃時就已成為其中最硬的材料,并能保持到1000℃以上。

    ③耐磨性上,賽隆陶瓷在高溫下具有良好的硬度保持性,而材料的耐磨性主要取決于其硬度,因此它不僅在室溫下環境下耐磨,高溫下也是如此。 

    ④抗蠕變性上,賽隆陶瓷在這一塊具有極好的表現,特別是高溫下使用產品時瞬時蠕變產生的變形對構件和工具極為有害,而賽隆的玻璃相通過熱處理轉化為結晶時抗蠕變性可以保持到1400℃。 

    ⑤抗熱沖擊性上,賽隆陶瓷與其他材料最為顯著的差別之一就在熱膨脹系數上,這一特性配合以高的斷裂韌性使其具有優良的耐熱沖擊性。 

  三、賽隆陶瓷的制備方法 

    在制備賽隆陶瓷時應選擇超細、高α相的Si3N4粉末,采用適當的工藝措施控制其晶界相的組成和結構,才能獲得性能優異的材料。由于賽隆陶瓷有很寬的固溶范圍,可通過調整固溶體的組分比例按預定性能對賽隆陶瓷進行組成設計,通過添加劑加入量的適當調節可以得到最佳α-sialon和β-sialon的比例,獲得最佳強度和硬度配合的材料。 

    從理論上講,賽隆陶瓷是單相固溶體,所加入的燒結助劑應進入晶格,在晶界上沒有玻璃相,具有優異的高溫強度和抗蠕變性能。然而實際上不可能沒有玻璃相,所以賽隆比Si3N4易于燒結,在無壓力情況下,可燒結至理論密度,特別是x值較大時。綜合考慮使用性能和燒結性能,x的取值在0.4~1.0為宜。

    賽隆陶瓷通常采用無壓燒結或熱壓燒結,在1600~1800℃的惰性氣氛中燒結,可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結體,主要的添加劑為MgO、Al2O3、AlN、SiO2等。同時,添加Y2O3、Al2O3能獲得強度很高的賽隆陶瓷。此外,加入Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結溫度。常壓燒結賽隆陶瓷的制造工藝是將Si3N4粉與適量的Al2O3粉及AlN粉共同混合,成型之后在1700℃的N2氣氛中燒結。固溶體的性質隨其組成和處理溫度而異。 

    四、賽隆陶瓷的應用及發展前景 

    賽隆陶瓷作為一種性能優異的新型高溫結構陶瓷,在軍事工業、航空航天工業、機械工業和電子工業等方面都有廣闊的應用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨性能好,已在機械工業上用于制造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷及磨損件等。賽隆陶瓷還可以用作連鑄用的分流換、熱電偶保護套管、晶體生長器、坩堝、高爐下部內襯、銅鋁合金管拉拔芯棒,以及滾軋、擠壓和壓鑄用模具材料。賽隆陶瓷還可以用來制作切削工具,其熱硬性優于WC-Co硬質合金和氧化鋁,刀尖溫度大于1000℃時仍可進行高速切削。塞隆陶瓷還可制作透明陶瓷(高壓鈉燈燈管、高溫紅外測溫儀窗口),以及用作生物陶瓷、制作人工關節等。 

    文章來源:新材料網

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