氮化硅陶瓷燒結(jié)工藝

氮化硅是經(jīng)過(guò)多年深入研究而發(fā)展起來(lái)的綜合性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷。它具有高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和優(yōu)異的耐磨性。這些性能是由于氮化硅陶瓷制備過(guò)程中科學(xué)而嚴(yán)格的制備工藝，高長(zhǎng)徑比的晶粒和性能優(yōu)異的晶間玻璃相導(dǎo)致的。同時(shí)，晶間玻璃相在高溫下軟化，控制了陶瓷的蠕變速率。優(yōu)異的綜合性能使得氮化硅陶瓷有著廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。 

最早出現(xiàn)的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（RBSN）充分利用了氮化硅陶瓷的耐高溫和抗侵蝕性能，主要用來(lái)制備熱電偶保護(hù)管、熔煉金屬的坩堝和火箭的噴嘴等，是作為一種新型耐火材料而產(chǎn)生的。 考慮到氮化硅強(qiáng)共價(jià)鍵的存在，可以通過(guò)引入燒結(jié)助劑和提高溫度來(lái)降低氣孔率以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，由此產(chǎn)生了液相燒結(jié)為手段的無(wú)壓燒結(jié)。氮化硅的液相燒結(jié)可分為兩個(gè)過(guò)程：顆粒重排和溶解—沉淀。在現(xiàn)有體系中，重排對(duì)致密化的貢獻(xiàn)約為 10 %，其余高達(dá) 17 %是溶解—沉淀造成的。無(wú)壓燒結(jié)氮化硅陶瓷利用氮化硅陶瓷

耐磨、耐熱和耐腐蝕等性能，大量應(yīng)用于制備密封環(huán)、冶金工業(yè)中的輥環(huán)、承載融熔金屬的器皿、溜槽等。 

Krstic 等以 Y2O3/Al2O3 為燒結(jié)助劑，在1700 ℃—1820 ℃，N2 氣氛下，研究了無(wú)壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的相關(guān)性能和微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng) Y2O3/Al2O3比為 2.33 時(shí)，晶粒平均長(zhǎng)徑比高為 4.92，斷裂韌性為 7 MPam1/2，強(qiáng)度為 800 MPa。細(xì)長(zhǎng)晶粒的長(zhǎng)徑比是控制燒結(jié)氮化硅陶瓷力學(xué)性能的微觀結(jié)構(gòu)。 

氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷相較其他工藝制備出的氮化硅用途更加廣泛一點(diǎn)。除了已述的熱電偶保護(hù)管、熔煉金屬坩堝、火箭噴嘴、陶瓷刀具、軸承球、密封環(huán)、冶金工業(yè)中的輥環(huán)和承載融熔金屬器皿等，其在陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的應(yīng)用比較廣泛。例如：發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦流室鋃塊、挺柱、搖臂鋃塊、電熱塞、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子及氣門等,燃?xì)廨啓C(jī)中的高溫高應(yīng)力部件。例如：定葉片、動(dòng)葉片、蝸殼等，如圖 2 所示。

Tani 等利用 GPS 方法制備 Y-Al 系自增韌Si3N4，其抗彎強(qiáng)度為 550 MPa—900 MPa，斷裂韌性為 8 MPa·m1/2—11MPa·m1/2。Huang 等在 1 MPa 氮?dú)鈮毫ο拢芯苛瞬煌柋壤?Si3N4- AlN-Y2O3 體系液相形成溫度，為后續(xù)氣壓燒結(jié)制備氮化硅陶瓷過(guò)程中溫度調(diào)控提供了重要的溫度理論基礎(chǔ)。Kolitsch 等人對(duì) Y2O3-Al2O3-SiO2 系統(tǒng) 的 相 轉(zhuǎn) 變 關(guān) 系 和 物 相 組 成 進(jìn) 行 了 研 究 ， 為Y2O3-Al2O3-SiO2 系氮化硅燒結(jié)過(guò)程中相平衡溫度建立了可靠的數(shù)據(jù)。李文蘭等人以 YAG 為添加劑研究了不同氮?dú)鈮毫?duì)氮化硅制品的密度、強(qiáng)度等的影響，發(fā)現(xiàn)在 1900 ℃保溫 3 h，氮?dú)鈮毫?3 MPa 時(shí)，制得樣品致密度最大。 

以少量燒結(jié)助劑的熱壓燒結(jié)工藝是為了促進(jìn)氮化硅陶瓷進(jìn)一步致密化。熱壓燒結(jié)法制備出氮化硅具有較高的硬度、強(qiáng)度和韌性，常用來(lái)生產(chǎn)陶瓷刀具。陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。氮化硅具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金具有好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下長(zhǎng)時(shí)間切削加工。 

Pyzik 等利用熱壓的方法制備 Y-Mg-Ca 系自韌 Si3N4，其室溫抗彎強(qiáng)度高約為 925MPa，斷裂韌性為 9 MPa·m1/2—14 MPa·m1/2。在 1000 ℃下抗折強(qiáng)度低在 550MPa 以上，斷裂韌性為 7 MPa·m1/2— 12 MPa·m1/2。當(dāng)溫度為 1300 ℃時(shí)，抗折強(qiáng)度最

低為 300 MPa，一些較優(yōu)異樣品達(dá)到 400 MPa— 500 MPa。羅學(xué)濤[49]利用氣壓燒結(jié)法制備 β-Si3N4晶種，加上熱壓方法制備 Y-Al 系 Si3N4 陶瓷，樣品抗彎強(qiáng)度高達(dá) 887 MPa—1004 MPa，斷裂韌性為 8.43 MPa·m1/2— 11.2 MPa·m1/2。少量晶種的引入有助于強(qiáng)度和韌性的提高，但加入量過(guò)多會(huì)造成力學(xué)性能下降。 

雖然熱等靜壓燒結(jié)在氣壓燒結(jié)法之前已經(jīng)發(fā)明并投入運(yùn)用。但是，由于設(shè)備昂貴，生產(chǎn)工藝復(fù)雜和技術(shù)要求極高。目前主要用于制備高檔氮化硅軸承球等產(chǎn)品，尚沒(méi)有無(wú)壓燒結(jié)和氣壓燒結(jié)等工藝應(yīng)用廣泛。由于熱等靜壓燒結(jié)氮化硅致密程度很高，耐磨損和抗壓性能極其優(yōu)異，在一些對(duì)產(chǎn)品性能要求較高的領(lǐng)域，熱等靜壓燒結(jié)氮化硅陶瓷仍然具有大量的應(yīng)用前景。一種應(yīng)用在紅外探測(cè)器上的微型軸承就是運(yùn)用該燒結(jié)方法制備的，如圖 3 所示。 

至于微波燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)制備氮化硅陶瓷等方法，則是最近幾年發(fā)展起來(lái)的。目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚無(wú)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用