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氮化硅陶瓷性能和應用領域

來源:|作者:金瑞 |發布時間: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、機械工程、通信、電子、汽車、能源、化學生物等領域。特別是在高溫結構陶瓷領域,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沒有熔點,可在1870℃左右直接分解??煽寡趸?400℃,實際使用可達1200℃(超過1200℃機械強度會下降)。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、機械工程、通信、電子、汽車、能源、化學生物等領域。

特別是在高溫結構陶瓷領域,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沒有熔點,可在1870℃左右直接分解??煽寡趸?400℃,實際使用可達1200℃(超過1200℃機械強度會下降)。


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.化學性質穩定,耐腐蝕。它不與除氫氟酸以外的其他無機酸反應。在800℃的干燥空氣中,它不與氧氣反應。當溫度超過800℃時,開始在表面形成氧化硅膜。隨著溫度的升高,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??杀3只痉€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.氮化硅是共價鍵化合物,很難致密化。有時加入添加劑,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題。連續纖維可用于增韌和增加其韌性。



應用領域

 

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、新工藝和新技術的佼佼者。以飛機的渦輪發動機為例,闡述航空制造中氮化硅的應用。


 飛機渦輪發動機

 

以飛機的渦輪噴氣發動機為例,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需涂層可制備耐1200℃的燃燒室。

 

 陶瓷氮化硅耐熱,可在1400℃時仍然有高的強度、剛度(但超過1200℃時力學強度會下降),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,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/密封環卡死,可制成軸承滾珠及機械密封環。

 

氮化硅陶瓷球強度大,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。而氮化硅陶瓷優良的耐腐蝕性、耐磨性、抗高溫性,能夠勝任這一領域。

 

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

 

據說氮化硅24小時的磨耗只百萬分之一,氮化硅的磨損的確是驚人的低的。

氮化硅研磨球

 

4、汽車內燃機材質

 

目前汽車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℃,使發動機效率提高30%左右。陶瓷具有較高的高溫強度和熱傳導性,可延長發動機的使用壽命。

 

 

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),阻陶瓷發動機實用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導致的低可靠性。若能解決這個問題,將會給人類社會的發展提供強大的推動力。

 

5、柴油機電熱塞(預熱塞)

 

在嚴寒時期柴油發動機冷卻時,電熱塞為提升啟動性能提供熱、能。同時,要求電熱塞具有快速升溫和持久保持高溫狀態的特性。

 

氮化硅電熱塞

 

氮化硅陶瓷電熱塞升溫至1000℃時間(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、蒸氣發生器等家用、工業、商務用電熱器行業。

 

6、冶金領域

 

利用氮化硅陶瓷材料的化學穩定性好及其優異的機械性能,氮化硅在冶金領域得到廣泛的應用。氮化硅具有優異的熱氧穩定性,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境。


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