中國粉體網(wǎng)訊 近年來，復(fù)相陶瓷成為了先進(jìn)陶瓷研究領(lǐng)域的重要方向。作為各方面性能都較為優(yōu)異且相近的陶瓷材料，氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料成為了研究重點(diǎn)。
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在Si3N4陶瓷中加入SiC進(jìn)行顆粒彌散強(qiáng)化，不僅能獲得比單項(xiàng)陶瓷更優(yōu)良的力學(xué)性能，而且進(jìn)一步能提高Si3N4陶瓷的高溫性能。近年來科研工作者對氮化硅/碳化硅復(fù)相陶瓷進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明復(fù)相陶瓷有希望成為性能更加優(yōu)良的材料體系。SiC粒子或晶須對Si3N4基體材料具有種種強(qiáng)化和增韌作用，所制備的復(fù)合材料性能比單相Si3N4或單相SiC的性能更突出，其斷裂韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單相SiC，耐高溫性、抗蠕變性及高溫抗氧化特性等遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單相Si3N4。
有哪些突出性能
1、氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷質(zhì)地堅(jiān)硬，莫氏硬度約為9，在非金屬材料中屬于超高硬度材料。
2、氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的不但常溫強(qiáng)度高，在1200～1400℃高溫下幾乎保持與常溫相同的強(qiáng)度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達(dá)到1650～1750℃。
3、氮化硅結(jié)合碳化硅材料熱膨脹系數(shù)小，相對于碳化硅等制品熱導(dǎo)率高，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力，具有良好熱震穩(wěn)定性，使用壽命長。高溫抗蠕變能力強(qiáng)，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制成尺寸精度高符合要求的制品。
4、氮化硅結(jié)合碳化硅材料與有色金屬不發(fā)生浸潤，并且具有良好的絕緣性能，因此在鋁、銅和鋅等有色金屬的生產(chǎn)過程中獲得廣泛的應(yīng)用，尤其是制作電解槽側(cè)墻內(nèi)襯磚的理想材料。
粉體制備方法
獲得均勻分散的復(fù)合粉體是制備高性能復(fù)相陶瓷的關(guān)鍵。近年來，相關(guān)的制備技術(shù)得到了廣泛的研究，并發(fā)展出一系列卓有成效的制備方法。其中氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合粉體主要的制備方法包括機(jī)械混合法、氣相熱解法、聚合物先驅(qū)體法、碳熱還原法和溶膠凝膠法等。
1、機(jī)械混合法
機(jī)械混合法又稱為高能球磨法，是最常用的復(fù)合粉體制備方法，工藝簡便而且成本較低，設(shè)備要求也不高，對人員也無特殊要求。機(jī)械混合工藝是將Si3N4原料粉與SiC亞微米或者納米粉以及燒結(jié)助劑混合，在乙醇或其它溶劑介質(zhì)中球磨一定時間，并將漿料干燥以獲得均勻的混合粉料。
2、氣相熱解法
氣相熱解工藝與制備純Si3N4粉末類似，主要是利用含Si、C、N的有機(jī)氣體在高溫下的氣相熱反應(yīng)或氣相熱解反應(yīng)，來形成均勻分散的Si3N4和SiC納米粒子。
3、聚合物先驅(qū)體法
利用聚合物的可溶及融溶性可實(shí)現(xiàn)聚合物在Si3N4顆粒中分子水平上的分散。因此常用含Si-C的聚合物先驅(qū)體（如聚碳硅烷）涂于表面熱解后形成均勻分散的SiC納米粉，而用含Si-C-N聚合物先驅(qū)體（如聚硅氮烷）同時產(chǎn)生Si3N4和SiC納米粉。使用聚碳硅烷作為先驅(qū)體的制備工藝是：將α-Si3N4粉末、燒結(jié)助劑和聚合物先驅(qū)體混合球磨、干燥、冷壓，在1000℃左右熱解，最后進(jìn)行燒結(jié)。
4、碳熱還原法
碳熱還原法是早期的材料制備方法，有著悠久的歷史，該方法來源于著名的Acheson法，其利用的主要方法為：
3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO
SiO2+3C=SiC+2CO
該法還可以實(shí)現(xiàn)Si3N4與SiC的原位結(jié)合，成為廉價制取氮化硅結(jié)合碳化硅材料的重要方法，而且制品中α-Si3N4相含量高，但碳熱還原法是一個復(fù)雜的反應(yīng)體系，而且由于反應(yīng)物過多，極易引入雜質(zhì)，導(dǎo)致影響反應(yīng)的因素眾多，因而產(chǎn)品質(zhì)量不易精確控制。
5、溶膠凝膠法
溶膠凝膠是結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體制備的有效途徑。有報(bào)道制備過帶有燒結(jié)助劑的氮化硅碳化硅復(fù)合粉體，首先將硅溶膠或者硅溶膠和硝酸釔的混合液與尿素溶液混合，水浴加熱至80℃，通入氨氣并不斷攪拌，直至凝固。然后，把由氨解形成的前驅(qū)體與炭黑按一定比例配料，以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合數(shù)小時，經(jīng)干燥獲得凝膠樣品，放入石墨坩堝內(nèi)，在高溫爐氮?dú)夥障逻M(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，所得粉末經(jīng)空氣中脫碳后得到復(fù)合粉體。
復(fù)合陶瓷制備方法
1、反應(yīng)燒結(jié)法
反應(yīng)燒結(jié)法是常用的燒結(jié)方法，反應(yīng)原料為一定顆粒級配的SiC和Si粉，或者為一定顆粒級配的SiC、Si3N4和Si粉。燒結(jié)前先將粉末均勻混合后壓制成所需要的形狀，然后在氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié)得到相應(yīng)的復(fù)相陶瓷。
2、熱壓燒結(jié)法
熱壓燒結(jié)是釆用機(jī)械加壓的方式對燒結(jié)構(gòu)件進(jìn)行致密化的，熱壓燒結(jié)是在反應(yīng)燒結(jié)法的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)形成的，熱壓燒結(jié)可以克服反應(yīng)燒結(jié)法成品氣孔率較高、致密化不足導(dǎo)致的強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，制備出接近理論密度的高強(qiáng)度陶瓷。熱壓法的過程與反應(yīng)燒結(jié)法基本一致，區(qū)別在于熱壓法需要燒結(jié)助劑，而且在加入反應(yīng)物料之前必須要進(jìn)行充分的混合，否則制品難以達(dá)到致密燒結(jié)。
3、氣壓燒結(jié)法
氣壓燒結(jié)是現(xiàn)在流行的燒結(jié)方式，它工藝簡便，成本較低，采用一定燒結(jié)助劑也能得到相對致密的燒結(jié)體。氣壓燒結(jié)可選擇多種工藝條件，因而可以有效的控制材料結(jié)構(gòu)和性能。
4、自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法是反應(yīng)燒結(jié)的延伸，又稱燃燒合成法，它是利用燃燒反應(yīng)釋放的熱量使含有Si、C、N物質(zhì)的壓坯發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，并且燃燒面以一定的速度向前推進(jìn)，自動持續(xù)蔓延生成陶瓷化合物的方法。自蔓延合成與原位合成法配合運(yùn)用可低成本的制備出高性能陶瓷。但是自蔓延合成也有明顯的缺點(diǎn)，由于燃燒合成速度快，所以合成過程中溫度變化較快，導(dǎo)致無法對反應(yīng)的過程實(shí)施精確控制，因此最終陶瓷的孔隙率高、密度低，造成陶瓷的強(qiáng)度偏低，不能得到應(yīng)有的應(yīng)用。
應(yīng)用
氮化硅結(jié)合碳化硅材料具有較高的高溫強(qiáng)度，導(dǎo)熱性，抗氧化性也很好，并且不易被腐蝕，諸多優(yōu)良性能決定了它適合于作為耐火材料使用。在陶瓷行業(yè)，其可用作耐高溫窯具，可有效提高窯爐窯具的壽命，提供穩(wěn)定的燒成環(huán)境，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
氮化硅結(jié)合碳化硅材料與有色金屬不發(fā)生浸潤，并且具有良好的絕緣性能，因此在鋁、銅和鋅等有色金屬的生產(chǎn)過程中獲得廣泛的應(yīng)用，尤其是制作電解槽側(cè)墻內(nèi)襯磚的理想材料。
目前在環(huán)境保護(hù)行業(yè)中，作為脫硫脫硝工程中的噴嘴絕大多數(shù)都是由氮化硅結(jié)合碳化硅材料制作的，使用該材料成形制作的噴嘴具有尺寸精確、耐腐蝕、耐沖刷性能好、霧化性能優(yōu)良，而且使用壽命較長等優(yōu)越性能。目前國內(nèi)外脫硫脫硝噴嘴的用量在逐年遞增。
在航天航空方面，可以利用其抗熱震性、抗氧化、耐高溫腐蝕等特性制造雷達(dá)天線罩等其他高溫結(jié)構(gòu)件。
在軍事工業(yè)中，其可以用來制造導(dǎo)彈尾噴管和喉襯。另外在核工業(yè)中反應(yīng)堆的支撐件和隔離間、醫(yī)學(xué)工業(yè)和日常生活中，氮化硅結(jié)合碳化硅材料也都有應(yīng)用。
參考來源：
[1]侯撐選.氮化硅結(jié)合碳化硅材料的特性及應(yīng)用范圍
[2]李康.氮化硅/碳化硅陶瓷復(fù)合材料研究
[3]中國粉體網(wǎng)
