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一种新型结构陶瓷品种——赛隆
发布时间:2019-12-25 10:55 | 【 【打印】【关闭】

  赛隆(sialon)是由Si、Al、O、N四种元素的合成词,音译为“赛隆”。赛隆陶瓷是Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的总称,是在Si3N4 陶瓷基础上开发出的一种Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷,由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置换Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成。赛隆陶瓷由日本的Oyama和Kamigaito(1971年)及英国的Jack和Wilson(1972年)发现,他们在对氮化硅陶瓷各种添加剂的研究中发现了金属氮化物中的固溶体,即在SiO2-Al2O3系统中发现了Si3N4的固溶体,这能有效地促进烧结,从而发现了这种新的无机非金属材料——sialon(赛隆)。赛隆陶瓷的主要类别有β’-sialon、α’-sialon、O’-sialon三种,尤其以前两种最为常见。 

    一、赛隆陶瓷的性能 

   由于赛隆陶瓷综合了Si3N4优异的物理、力学性能和Al2O3优异的化学性能,有可能减少或消除熔点不高的玻璃态晶界,而以具有优良性能的固溶体形态存在,因此其具有诸多的优良性能:其硬度、耐磨性、耐蚀性、强度和韧性高、热膨胀系数低、抗热震性和抗氧化性好,抗氧化性与SiC的相当。常温强度和高温抗氧化性均优于Si3N4,但高温强度不及Si3N4,赛隆陶瓷还具有化学性质稳定、耐磨性好、热膨胀系数低、抗热冲击性好等特点,表1列举部分赛隆陶瓷的主要性能。 

表1.赛隆陶瓷的主要性能       二、赛隆陶瓷的结构类型与特征 

 

   赛隆陶瓷根据结构和组分的不同,可分为三种类型:α’-赛隆、β’-赛隆、Ο’-赛隆及混合型赛隆。

  1.β’-赛隆:有与β’-Si3N4相同的结构,具有较高的断裂韧性。1981年时由英国卢卡斯·库克森赛隆公司投放市场,美国肯纳金属、瑞典山特维克、日本东芝坦葛落依等公司相继推出这种陶瓷产品。 

  2.α’-赛隆:拥有与α’- Si3N4相同的结构,具有更高的硬度。日本品川白练瓦公司受日本新技术厅开发事业团的委托,用了两年时间对科学技术厅无机材料研究所的研究成果“赛隆烧结体加工法”进行了实用化研究,成功开发了α’-赛隆的制造方法,并将其产品投放市场。随后日本东芝坦葛洛依公司也推出了自己的α’-赛隆产品。α型赛隆是在氮化硅晶格间渗有微量金属原子的固溶体,不但耐热性好(1800~1900℃),而且硬度、强度高,由于选用了金属原子,因此还具有导电性。 

表2. α’和β’赛隆陶瓷的典型性能 

    3.O’-赛隆:与α’-和β’-赛隆一样,是一种优良的工程陶瓷,它同样具有很低的热膨胀系数和良好的抗热震性,可在1350℃下抗氧化,因此可应用于各种工程领域。 

表3 赛隆陶瓷和其他材料的性能对比 

    从上表可以看出:

    ①强度上,赛隆陶瓷的室温强度尽管低于硬质合金,但明显高于氧化铝陶瓷,它还拥有一个重要的特点,会随着温度的升高,其强度一般都能在1200℃保持不变,甚至某些赛隆陶瓷强度会随着温度的升高而提高,直至1400℃,由此赛隆陶瓷还具有“超强度材料”之称。 

   ②硬度上,赛隆陶瓷的室温硬度并不是很高,但会随着温度的上升,其硬度的保持性明显优于硬质合金及其他陶瓷,以致在高于400℃时就已成为其中最硬的材料,并能保持到1000℃以上。

    ③耐磨性上,赛隆陶瓷在高温下具有良好的硬度保持性,而材料的耐磨性主要取决于其硬度,因此它不仅在室温下环境下耐磨,高温下也是如此。 

    ④抗蠕变性上,赛隆陶瓷在这一块具有极好的表现,特别是高温下使用产品时瞬时蠕变产生的变形对构件和工具极为有害,而赛隆的玻璃相通过热处理转化为结晶时抗蠕变性可以保持到1400℃。 

    ⑤抗热冲击性上,赛隆陶瓷与其他材料最为显著的差别之一就在热膨胀系数上,这一特性配合以高的断裂韧性使其具有优良的耐热冲击性。 

  三、赛隆陶瓷的制备方法 

    在制备赛隆陶瓷时应选择超细、高α相的Si3N4粉末,采用适当的工艺措施控制其晶界相的组成和结构,才能获得性能优异的材料。由于赛隆陶瓷有很宽的固溶范围,可通过调整固溶体的组分比例按预定性能对赛隆陶瓷进行组成设计,通过添加剂加入量的适当调节可以得到最佳α-sialon和β-sialon的比例,获得最佳强度和硬度配合的材料。 

    从理论上讲,赛隆陶瓷是单相固溶体,所加入的烧结助剂应进入晶格,在晶界上没有玻璃相,具有优异的高温强度和抗蠕变性能。然而实际上不可能没有玻璃相,所以赛隆比Si3N4易于烧结,在无压力情况下,可烧结至理论密度,特别是x值较大时。综合考虑使用性能和烧结性能,x的取值在0.4~1.0为宜。

    赛隆陶瓷通常采用无压烧结或热压烧结,在1600~1800℃的惰性气氛中烧结,可获得接近理论密度的赛隆陶瓷烧结体,主要的添加剂为MgO、Al2O3、AlN、SiO2等。同时,添加Y2O3Al2O3能获得强度很高的赛隆陶瓷。此外,加入Y2O3可降低赛隆陶瓷的烧结温度。常压烧结赛隆陶瓷的制造工艺是将Si3N4粉与适量的Al2O3粉及AlN粉共同混合,成型之后在1700℃的N2气氛中烧结。固溶体的性质随其组成和处理温度而异。 

    四、赛隆陶瓷的应用及发展前景 

    赛隆陶瓷作为一种性能优异的新型高温结构陶瓷,在军事工业、航空航天工业、机械工业和电子工业等方面都有广阔的应用前景。赛隆陶瓷硬度高、耐磨性能好,已在机械工业上用于制造轴承、密封件、焊接套筒和定位销及磨损件等。赛隆陶瓷还可以用作连铸用的分流换、热电偶保护套管、晶体生长器、坩埚、高炉下部内衬、铜铝合金管拉拔芯棒,以及滚轧、挤压和压铸用模具材料。赛隆陶瓷还可以用来制作切削工具,其热硬性优于WC-Co硬质合金和氧化铝,刀尖温度大于1000℃时仍可进行高速切削。塞隆陶瓷还可制作透明陶瓷(高压钠灯灯管、高温红外测温仪窗口),以及用作生物陶瓷、制作人工关节等。 

    文章来源:新材料网

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