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化学气相沉积设备部件氮化硅陶瓷的增韧方法与应用

2020-11-26 09:55:28

化学气相沉积设备部件氮化硅陶瓷的增韧方法与应用
前言

氮化硅是一百多年前发现的氮和硅的化合物。最早在德国合成,50年代开始使用。作为工程材料,到60年代受到重视。氮化硅是人工合成的物质,自然界尚未发现有天然存在的氮化硅。

氮化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷,具有强度高、抗热震稳定性好、高温蠕变小、耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点,是优良的工程陶瓷之一。氮化硅虽然具有良好的性能,但也具有陶瓷的共性——脆性。脆性这一致命弱点,使其在应用中的可靠性得不到保障。因此改善其韧性,提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一个重要方向。

化学气相沉积设备部件

增韧方法

粒子增韧——粒子增韧是添加一定的高弹性模量的粒子,如SiC、tic、TiN等。,变成Si3N4材料。颗粒增韧与温度无关,可以作为高温增韧机制。但此法一般只能取得40%一70%的增韧效果,其增韧效果不明显。

相变增韧-氧化锆相变增韧是指氧化锆颗粒分散在Si3N4基体中,应力诱导四方相向单斜相转变产生约5%的体积变化,可以抵消外部应力,阻止裂纹扩展,达到增韧的目的。

纤维增韧-纤维增韧是指Si3N4陶瓷与C、C、SiC等长纤维的复合增韧,其机理主要是裂纹偏转或分叉、拔出效应和桥联效应。

自韧化-自韧化是指通过调整材料成分和控制制备工艺条件,使一部分Si3N4晶粒原位发展成高长径比的柱状晶粒,从而获得类似纤维增韧的各种机制,达到增韧效果。

层状增韧——近年来,国内外学者从生物世界了解到,贝壳的层状结构可以产生更大的韧性,因此可以从材料宏观结构的角度来设计新材料,即层状复合陶瓷材料。

碳纤维增韧——碳纤维由原料纤维高温烧制而成,经过低温氧化、中温碳化、高温石墨化处理,具有高强度、高模量、低密度、耐高温、线膨胀系数小、导热系数高的优点。作为补强增韧材料,它克服了其它增韧材料的缺点。

碳纤维能否在氮化硅基体中起到增强作用,取决于碳纤维与氮化硅基体烧结后的结合程度。

碳纳米管增韧——理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。碳纳米管的力学性能优良,其强度约为钢100倍,密度却只有钢的1/6,且在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性,被认为是未来的“超级纤维”。

碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的主要机制为纤维拔出机制。

氮化硅陶瓷的应用

1、航天军工领域

航空制造是制造业中高新技术最集中的领域,属于先进制造技术,是新材料、新工艺、新技术的领导者。以飞机的涡轮发动机为例,阐述航空制造中氮化硅的应用。

陶瓷氮化硅耐热,在1400℃仍能保持较高的强度和刚度(但超过1200℃机械强度会降低),但易碎。由连续纤维增强的增强陶瓷可应用于涡轮部件,特别是小型发动机的陶瓷叶片、涡轮外环和空气轴承。此外,氮化硅陶瓷比密度小,密度仅为钢轴承的41%,可有效降低飞机发动机重量,减低油耗。

2、机械工程领域

氮化硅陶瓷摩擦系数小,自润滑,强度高,热膨胀系数小,因温度引起的体积变化小,能有效防止球/密封圈被卡住,可制成轴承球和机械密封圈。

氮化硅强度大,可用于轴承制造,可承受严酷的工作环境,工作寿命也高于一般轴承,但制作成本也比较高。

传统的阀门是金属材料,由于受金属材料自身限制,金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性、可靠性、使用寿命具有相当大的影响;一些应用于石油工业的金属阀门易受到化学腐蚀,失去工作能力。然而,氮化硅陶瓷由于其优异的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性而在该领域具有竞争力。

3、超细研磨领域

氮化硅硬度高,硬度仅次于金刚石,立方氮化硼。由于其消耗量非常低,减少了研磨介质的磨损和研磨材料的污染,有利于获得纯度更高的超细粉末。

4、高性能机床切削刀具

在现代加工过程中,提高加工效率最有效的方法是采用高速切削技术。氮化硅刀具特别适用于铸铁和高温合金的粗加工、高速切削和重切削。它的切削耐用度比硬质合金刀具高几倍到十倍。氮化硅比硬质合金具有非常高的耐磨性和更好的化学稳定性。它能高速切削,持久耐用,平均效率比硬质合金刀具提高三倍以上。


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