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氮化硅陶瓷性能和應用領(lǐng)域

來(lái)源:|作者:金瑞 |發(fā)布時(shí)間:2022-01-27 |次瀏覽
氮化硅陶瓷因其耐高溫、耐腐蝕、耐磨的電性能,被廣泛應用于航空航天工業(yè)、機械工程、通信、電子、汽車(chē)、能源、化學(xué)生物等領(lǐng)域。特別是在高溫結構陶瓷領(lǐng)域,氮化硅陶瓷是綜合性能好、應用潛力大的新材料,有望取代鎳基合金,在高溫領(lǐng)域得到廣泛應用。氮化硅的詳細性能指標如下:耐熱。常壓下,Si3N4沒(méi)有熔點(diǎn),可在1870℃左右直接分解。可抗氧化至1400℃,實(shí)際使用可達1200℃(超過(guò)1200℃機械強度會(huì )下降)。2

氮化硅陶瓷因其耐高溫、耐腐蝕、耐磨的電性能,被廣泛應用于航空航天工業(yè)、機械工程、通信、電子、汽車(chē)、能源、化學(xué)生物等領(lǐng)域。

特別是在高溫結構陶瓷領(lǐng)域,氮化硅陶瓷是綜合性能好、應用潛力大的新材料,有望取代鎳基合金,在高溫領(lǐng)域得到廣泛應用。

氮化硅的詳細性能指標如下:


  1. 耐熱。常壓下,Si3N4沒(méi)有熔點(diǎn),可在1870℃左右直接分解。可抗氧化至1400℃,實(shí)際使用可達1200℃(超過(guò)1200℃機械強度會(huì )下降)。


2.熱膨脹系數低(2.8-3.2)×10-6/℃,導熱系數高,抗熱震性好,從室溫到1000℃熱震不開(kāi)裂。


3.低摩擦系數(0.1)和自潤滑(涂油金屬表面的摩擦系數為0.1-0.2)。


4.化學(xué)性質(zhì)穩定,耐腐蝕。它不與除氫氟酸以外的其他無(wú)機酸反應。在800℃的干燥空氣中,它不與氧氣反應。當溫度超過(guò)800℃時(shí),開(kāi)始在表面形成氧化硅膜。隨著(zhù)溫度的升高,氧化硅膜逐漸變得穩定,在1000℃左右可以與氧氣形成致密的氧化硅膜。可保持基本穩定至1400℃。


5.氮化硅具有高硬度、耐磨性,莫氏硬度僅次于金剛石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅,并具有抗機械沖擊能力。


6.氮化硅是共價(jià)鍵化合物,很難致密化。有時(shí)加入添加劑,密度約為3.4(不同的成型方法密度不同,熱壓的密度較高,鋼的密度約為7.85.鈦合金的密度約為4.5.均以g/cm3計)。


7.脆性是大多數陶瓷材料的共同問(wèn)題。連續纖維可用于增韌和增加其韌性。



應用領(lǐng)域

 

1、航天軍工領(lǐng)域

 

航空制造是制造業(yè)中高新技術(shù)最集中的領(lǐng)域,屬于先進(jìn)制造技術(shù),是新材料、新工藝和新技術(shù)的佼佼者。以飛機的渦輪發(fā)動(dòng)機為例,闡述航空制造中氮化硅的應用。


 飛機渦輪發(fā)動(dòng)機

 

以飛機的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機為例,壓氣機零部件溫度在650℃以下,目前主要采用鈦合金、鋁合金及耐熱鋼。燃燒室燃燒區溫度高達1800-2000℃,引入氣流冷卻后,燃燒室壁溫仍然在900℃以上,常用高溫合金(鎳基及鈷基合金)板材制造,為防燃氣沖刷、熱腐蝕和隔熱,常噴涂防護層,現采用彌散強化合金無(wú)需涂層可制備耐1200℃的燃燒室。

 

 陶瓷氮化硅耐熱,可在1400℃時(shí)仍然有高的強度、剛度(但超過(guò)1200℃時(shí)力學(xué)強度會(huì )下降),但比較脆,使用連續纖維加強的加強陶瓷可應用于渦輪部件,特別是小發(fā)動(dòng)機的陶瓷葉片,渦輪外環(huán)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(fā)動(dòng)機重量,減低油耗。

 

2、機械工程領(lǐng)域

 

氮化硅陶瓷摩擦系數小,有自潤滑性,強度高,熱膨脹系數小,體積受溫度變化小,有效防球/密封環(huán)卡死,可制成軸承滾珠及機械密封環(huán)。

 

氮化硅陶瓷球強度大,可用于軸承制造,可承受?chē)揽岬墓ぷ鳝h(huán)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(mén)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(mén)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(yè)的金屬閥門(mén)易受到化學(xué)腐蝕,失去工作能力。而氮化硅陶瓷優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性、抗高溫性,能夠勝任這一領(lǐng)域。

 

氮化硅具有耐磨,耐熱性,用作蒸汽噴嘴,在800℃的鍋爐工作半年后無(wú)明顯損壞。其他耐熱蝕合金噴嘴在同樣條件下只能使用1-2個(gè)月。

 

另外氮化硅材料制作的粉碎刀片在食品加工也廣泛應用,可大限度的減少雜質(zhì)污染食品,刀片耐用性也比較好。

氮化硅陶瓷球

 

3、超細研磨領(lǐng)域

 

氮化硅硬度高,硬度僅次于金剛石,立方氮化硼。因其消耗非常低,降低了研磨介質(zhì)的磨損及對研磨材料的污染,有利于獲取更高純度的超細粉體。

 

 

氮化硅研磨球

 

據說(shuō)氮化硅24小時(shí)的磨耗只百萬(wàn)分之一,氮化硅的磨損的確是驚人的低的。

氮化硅研磨球

 

4、汽車(chē)內燃機材質(zhì)

 

目前汽車(chē)內燃機耐熱部位制造材料為鎳基耐熱材料,工作溫度在1000℃左右。若采用陶瓷材料,則可以將工作溫度提高到1300℃,使發(fā)動(dòng)機效率提高30%左右。陶瓷具有較高的高溫強度和熱傳導性,可延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的使用壽命。

 

 

目前內燃機使用的陶瓷材料有:氧化物基陶瓷、碳化物基陶瓷及氮化物基陶瓷(氮化硅),阻陶瓷發(fā)動(dòng)機實(shí)用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導致的低可靠性。若能解決這個(gè)問(wèn)題,將會(huì )給人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展提供強大的推動(dòng)力。

 

5、柴油機電熱塞(預熱塞)

 

在嚴寒時(shí)期柴油發(fā)動(dòng)機冷卻時(shí),電熱塞為提升啟動(dòng)性能提供熱、能。同時(shí),要求電熱塞具有快速升溫和持久保持高溫狀態(tài)的特性。

 

氮化硅電熱塞

 

氮化硅陶瓷電熱塞升溫至1000℃時(shí)間(2s)比金屬電熱塞(3s)快,氮化硅工作溫度(約1200℃)比金屬電熱塞工作溫度(約1000℃)高。

 

除此之外氮化硅還可以做發(fā)熱體,廣泛應用于直熱及貯水式、節能快熱式電熱水器,快熱式液體加熱、電暖、冷熱飲機、空調加熱器,直熱水龍頭、恒溫器、蒸氣發(fā)生器等家用、工業(yè)、商務(wù)用電熱器行業(yè)。

 

6、冶金領(lǐng)域

 

利用氮化硅陶瓷材料的化學(xué)穩定性好及其優(yōu)異的機械性能,氮化硅在冶金領(lǐng)域得到廣泛的應用。氮化硅具有優(yōu)異的熱氧穩定性,抗熱氧化溫度可達1400℃,使用溫度達1200℃。在中性或者還原氣氛中使用溫度可達1800℃。此外氮化硅熱膨脹性小,可用于極冷急熱的工況環(huán)境。


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