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化學氣相沉積設備部件氮化硅陶瓷的增韌方法與應用

2020-11-26 09:55:28

化學氣相沉積設備部件氮化硅陶瓷的增韌方法與應用
前言

氮化硅是一百多年前發現的氮和硅的化合物。最早在德國合成,50年代開始使用。作為工程材料,到60年代受到重視。氮化硅是人工合成的物質,自然界尚未發現有天然存在的氮化硅。

氮化硅陶瓷作為一種高溫結構陶瓷,具有強度高、抗熱震穩定性好、高溫蠕變小、耐磨、優良的抗氧化性和化學穩定性高等特點,是優良的工程陶瓷之一。氮化硅雖然具有良好的性能,但也具有陶瓷的共性——脆性。脆性這一致命弱點,使其在應用中的可靠性得不到保障。因此改善其韌性,提高其可靠性一直是氮化硅陶瓷研究的一個重要方向。

化學氣相沉積設備部件

增韌方法

粒子增韌——粒子增韌是添加一定的高彈性模量的粒子,如SiC、tic、TiN等。,變成Si3N4材料。顆粒增韌與溫度無關,可以作為高溫增韌機制。但此法一般只能取得40%一70%的增韌效果,其增韌效果不明顯。

相變增韌-氧化鋯相變增韌是指氧化鋯顆粒分散在Si3N4基體中,應力誘導四方相向單斜相轉變產生約5%的體積變化,可以抵消外部應力,阻止裂紋擴展,達到增韌的目的。

纖維增韌-纖維增韌是指Si3N4陶瓷與C、C、SiC等長纖維的復合增韌,其機理主要是裂紋偏轉或分叉、拔出效應和橋聯效應。

自韌化-自韌化是指通過調整材料成分和控制制備工藝條件,使一部分Si3N4晶粒原位發展成高長徑比的柱狀晶粒,從而獲得類似纖維增韌的各種機制,達到增韌效果。

層狀增韌——近年來,國內外學者從生物世界了解到,貝殼的層狀結構可以產生更大的韌性,因此可以從材料宏觀結構的角度來設計新材料,即層狀復合陶瓷材料。

碳纖維增韌——碳纖維由原料纖維高溫燒制而成,經過低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化處理,具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、線膨脹系數小、導熱系數高的優點。作為補強增韌材料,它克服了其它增韌材料的缺點。

碳纖維能否在氮化硅基體中起到增強作用,取決于碳纖維與氮化硅基體燒結后的結合程度。

碳納米管增韌——理論計算表明,碳納米管具有極高的強度和極好的韌性。碳納米管的力學性能優良,其強度約為鋼100倍,密度卻只有鋼的1/6,且在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性,被認為是未來的“超級纖維”。

碳納米管增韌氮化硅陶瓷復合材料的主要機制為纖維拔出機制。

氮化硅陶瓷的應用

1、航天軍工領域

航空制造是制造業中高新技術最集中的領域,屬于先進制造技術,是新材料、新工藝、新技術的領導者。以飛機的渦輪發動機為例,闡述航空制造中氮化硅的應用。

陶瓷氮化硅耐熱,在1400℃仍能保持較高的強度和剛度(但超過1200℃機械強度會降低),但易碎。由連續纖維增強的增強陶瓷可應用于渦輪部件,特別是小型發動機的陶瓷葉片、渦輪外環和空氣軸承。此外,氮化硅陶瓷比密度小,密度僅為鋼軸承的41%,可有效降低飛機發動機重量,減低油耗。

2、機械工程領域

氮化硅陶瓷摩擦系數小,自潤滑,強度高,熱膨脹系數小,因溫度引起的體積變化小,能有效防止球/密封圈被卡住,可制成軸承球和機械密封圈。

氮化硅強度大,可用于軸承制造,可承受嚴酷的工作環境,工作壽命也高于一般軸承,但制作成本也比較高。

傳統的閥門是金屬材料,由于受金屬材料自身限制,金屬的腐蝕破壞對閥門耐磨性、可靠性、使用壽命具有相當大的影響;一些應用于石油工業的金屬閥門易受到化學腐蝕,失去工作能力。然而,氮化硅陶瓷由于其優異的耐腐蝕性、耐磨性和耐高溫性而在該領域具有競爭力。

3、超細研磨領域

氮化硅硬度高,硬度僅次于金剛石,立方氮化硼。由于其消耗量非常低,減少了研磨介質的磨損和研磨材料的污染,有利于獲得純度更高的超細粉末。

4、高性能機床切削刀具

在現代加工過程中,提高加工效率最有效的方法是采用高速切削技術。氮化硅刀具特別適用于鑄鐵和高溫合金的粗加工、高速切削和重切削。它的切削耐用度比硬質合金刀具高幾倍到十倍。氮化硅比硬質合金具有非常高的耐磨性和更好的化學穩定性。它能高速切削,持久耐用,平均效率比硬質合金刀具提高三倍以上。


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