Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2026-02-12 Происхождение:Работает
1. Современная керамика постепенно стала важным компонентом новых материалов .
Керамика – это материалы и различные изделия, полученные путем измельчения, смешивания, формования и обжига глины в качестве основного сырья наряду с другими природными минералами. В совокупности их называют керамикой и фарфором. Традиционное понятие керамики относится ко всем искусственным промышленным изделиям, изготовленным из неорганических неметаллических минералов, таких как глина. Он включает в себя различные продукты, полученные путем смешивания, формования и обжига глины или смесей, содержащих глину. Основным сырьем для керамики являются силикатные минералы, полученные из природы, поэтому она относится к «силикатной промышленности» наряду со стеклом, цементом, эмалированной посудой и огнеупорными материалами.
В широком смысле керамические материалы относятся ко всем материалам, кроме органических и металлических, а именно к неорганическим неметаллическим материалам. Керамические изделия представлены в большом разнообразии. Их химический состав, минеральный состав, физические свойства и способы производства часто переплетаются и переплетаются друг с другом, не имея четких границ, но имеют существенные различия в применении. Поэтому их сложно жестко разделить на несколько систем. Методы классификации различаются, и до сих пор не существует единого метода классификации на международном уровне. В зависимости от методов изготовления и областей применения керамики их можно разделить на традиционные керамические материалы и современные керамические материалы.
Традиционная керамика. В традиционном смысле керамика относится к различным изделиям, изготовленным из глины и ее природных минералов посредством таких процессов, как измельчение, смешивание, формование и обжиг. Эти изделия обычно называют «обычной керамикой» или традиционной керамикой. Примеры включают бытовую керамику, а также строительную и сантехническую керамику.
Усовершенствованная керамика: по химическому составу их можно разделить на оксидную керамику, нитридную керамику, карбидную керамику, боридную керамику, силицидную керамику, фторидную керамику, сульфидную керамику и т. д. По своим характеристикам и применению их можно разделить на две основные категории: функциональная керамика и структурная керамика. Функциональная керамика в основном зависит от особых функций материалов, включая электрические свойства, магнетизм, биологические характеристики, термическую чувствительность, оптические свойства и т. д., включая изоляционную и диэлектрическую керамику, сегнетоэлектрическую керамику, пьезоэлектрическую керамику, полупроводники и их чувствительную керамику и т. д.; Структурная керамика в основном зависит от механических и структурных применений материалов, обладающих высокой прочностью, высокой твердостью, устойчивостью к высоким температурам, коррозионной стойкостью, стойкостью к окислению и т. Д.
1.1 Структурная керамика: наиболее перспективные высококачественные материалы для применения в экстремальных условиях
Структурная керамика благодаря своим превосходным механическим и термическим свойствам стала важной отраслью керамических материалов, на которую приходится около 30% всего керамического рынка. За последние два десятилетия крупные национальные проекты и передовые технологии также предъявляют повышенные требования и вызовы к керамическим материалам и технологиям их подготовки: например, керамические подшипники из нитрида кремния, используемые в турбонасосах на жидком водороде и жидком кислороде для запусков ракет в аэрокосмической промышленности, работают на высоких скоростях без проскальзывания в условиях экстремально низких температур, требуя высокой прочности, хороших начальных свойств, износостойкости и высокой точности обработки поверхности; Керамические уплотнительные кольца большого размера, используемые в главных насосах атомных электростанций, требуют длительного срока службы и высокой надежности, особенно керамические отражатели из карбида кремния, используемые при наземном спутниковом мониторинге наземных целей для визуализации, помимо высокого модуля упругости, низкого коэффициента теплового расширения и легкого веса, также требуют высокоточных ультразеркальных поверхностей и больших размеров, что создает проблему для технологии формования, технологии спекания и технологии обработки крупногабаритной конструкционной керамики. А керамические заглушки оптоволоконных разъемов связи с внутренним отверстием 125 микрометров требуют чрезвычайно высокой гладкости поверхности, точности размеров и концентричности.
С точки зрения механических свойств, высокая температура плавления и широкий температурный диапазон использования заложили основу для применения керамических материалов в области конструкций. Органические материалы в основном связаны молекулярными связями, тогда как металлические материалы в основном связаны металлическими связями. Керамические материалы в основном связаны ионными связями и ковалентными связями, поэтому температура плавления керамических материалов самая высокая. В то же время температура долгосрочной эксплуатации керамических материалов под нагрузкой также стабильна и составляет более 1000 ℃. По сравнению с металлическими материалами самая высокая текущая рабочая температура наблюдается у жаропрочных сплавов, которая ниже 1200 ℃. Под нагрузкой рабочая температура превышает 1000 ℃.
Кроме того, высокая прочность и износостойкость керамических материалов выделяют их при выборе материалов в области конструкций. По сравнению с органическими материалами и металлическими материалами при одинаковой плотности, удельной жесткости и условиях стоимости керамические материалы обладают наибольшей прочностью. Это определяет, что керамические материалы могут лучше применяться в более сложных условиях. Более того, по данным научно-исследовательского института порошковой металлургии Центрального Южного университета, износостойкость керамических материалов в 266 раз выше, чем у марганцевой стали, и в 171,5 раза выше, чем у высокохромистого чугуна.
С точки зрения тепловых свойств, отличная теплопроводность, свойства теплового расширения и термостойкость керамических материалов делают их незаменимыми во многих областях применения по сравнению с другими материалами, такими как металлы. По сравнению с органическими материалами керамические и металлические материалы обладают лучшей теплопроводностью. Однако в условиях высоких температур коэффициент теплового расширения и сопротивление разрушению при термическом напряжении керамических материалов ниже, чем у металлических материалов, а это означает, что керамические материалы могут выдерживать более сильные тепловые удары при высоких температурах и являются лучшими материалами в экстремальных условиях.
Основным недостатком конструкционных керамических материалов является их хрупкость. В настоящее время исследования и разработки конструкционных керамических материалов сместились от прежнего акцента на однофазных характеристиках и характеристиках высокой чистоты к многофазному композиционному направлению, включая композиты с керамической матрицей, армированные волокнами (или нитевидными кристаллами), самоармирующиеся керамические материалы, нанокомпозитную керамику и т. д., что значительно улучшило характеристики конструкционных керамических материалов.
1.1.1 Керамика оксида С
Атомные связи оксидных керамических материалов в основном представляют собой ионные связи, но присутствуют и некоторые ковалентные связи. Поэтому они обладают множеством замечательных свойств. Большинство оксидов имеют высокие температуры плавления, хорошие электроизоляционные свойства, особенно превосходную химическую стабильность и стойкость к окислению. Они нашли широкое применение в инженерной сфере. По составу их можно разделить на однооксидную керамику (например, оксид алюминия, оксид бериллия, керамику из диоксида титана и т. д.) и композитную оксидную керамику (например, шпинель MgO·Al2O3, муллит 3Al2O3·2SiO2, керамику из цирконата и титаната свинца PZT и т. д.).
Керамика из глинозема : самая ранняя разработанная и наиболее широко применяемая конструкционная керамика.
Что касается получения глиноземной керамики, в настоящее время коммерчески доступные методы включают процесс Байера, химический процесс, метод спекания пластинчатого корунда и метод электросплавления корунда. Среди них наиболее широко используется процесс Байера. Процесс Байера позволяет производить порошок оксида алюминия металлургического и промышленного качества с чистотой 99,5%, но в основном он содержит примеси, такие как оксид натрия. Позже появился химический процесс, который позволяет производить мелкодисперсный порошок оксида алюминия высокой чистоты с чистотой 99,99%, который обычно классифицируется как оксид алюминия высокой чистоты или оксид алюминия 4N. Кроме того, в зависимости от технологии производства и желаемых свойств глиноземную керамику можно разделить на различные формы продукции, такие как износостойкие пластины, прецизионные керамические компоненты и прозрачную глиноземную керамику, включая подложки, изоляторы, изнашиваемые детали и биокерамику.
В области применения глиноземная керамика в настоящее время может использоваться в механической области для изготовления износостойких компонентов, таких как уплотнения и сопла, в энергетическом секторе для термостойких изоляционных компонентов, а также в области полупроводников для керамических подложек и т. д. Кроме того, она широко используется в биомедицинских имплантатах, режущих инструментах, износостойких вкладышах и изоляционных деталях под высоким напряжением, демонстрируя свою универсальность во многих высокотехнологичных отраслях.
Циркониевая керамика : повышение прочности высокопроизводительной конструкционной керамики является ключом к ее производству .
Традиционное применение диоксида циркония в основном включает использование в качестве сырья для огнеупорных материалов, покрытий, глазурей и т. д. Однако с более глубоким пониманием термодинамических и электрических свойств циркониевой керамики стало возможным широкое использование его в качестве высокоэффективной конструкционной керамики, такой как подшипники, клапаны и режущие лопасти, а также твердых диэлектрических материалов, таких как датчики кислорода и электролиты твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). В частности, благодаря углубленному изучению процесса фазового превращения диоксида циркония в 1970-х годах появились материалы для упрочнения циркониевой керамики, которые значительно улучшили механические свойства циркониевых керамических материалов, что привело к появлению стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ), стабилизированного магнием диоксида циркония (MSZ) и частично стабилизированного диоксида циркония (PSZ), особенно с высокой ударной вязкостью при комнатной температуре, занимающей первое место среди керамических материалов.
Что касается подготовки, основной целью является повышение ударной прочности, и наиболее распространенным методом является добавление стабилизаторов, таких как иттрий (Y₂O₃), магнезия (MgO) или церий (CeO₂). Цирконий полностью получают из цирконового песка и бадделеитовой руды. Цирконовый песок состоит в основном из силиката циркония (ZrO₂·SiO₂), тогда как в бадделеитовой руде преобладает ZrO₂ с небольшими примесями, такими как SiO₂ и TiO₂.
В прошлом цирконий производился исключительно с использованием этих двух природных минералов в качестве сырья. Однако легко спекаемые микропорошки циркония, используемые для технической керамики, производятся из солей циркония, которые сами получают из вышеупомянутых природных минералов.
Цирконий существует в трех кристаллических формах: кубической (в), тетрагональной (т) и моноклинной (м). Термодинамический анализ показывает, что чистый моноклинный диоксид циркония стабилен при температуре ниже 1170 ℃; выше этой температуры он переходит в тетрагональную фазу. Когда температура достигает 2370 ℃, он переходит в кубическую фазу, которая остается стабильной до тех пор, пока не произойдет плавление при 2680–2700 ℃. Этот процесс фазового перехода является обратимым и играет центральную роль в механизме трансформационного упрочнения в современных циркониевых керамиках, таких как Y-TZP (иттрий-тетрагональный поликристалл циркония).
При охлаждении от высоких температур до точки перехода из тетрагональной в моноклинную имеет место гистерезис фазового превращения: тетрагональная фаза (t-фаза) не превращается в моноклинную фазу (m-фаза) примерно до 1050 ℃ — примерно на 100 ℃ ниже теоретической температуры перехода. Этот процесс известен как мартенситное превращение, сопровождающееся объемным расширением на 5–9%. Такое изменение объема превышает предел упругости зерен ZrO₂, что приводит к растрескиванию материала.
Поэтому с точки зрения термодинамики и кристаллического фазового превращения практически невозможно получить чистые материалы ZrO₂. Чтобы избежать этого фазового перехода, двухвалентные оксиды (CaO, MgO, SrO) и оксиды редкоземельных металлов (Y₂O₃, CeO₂) можно использовать в качестве стабилизаторов для образования твердого раствора с ZrO₂, что дает стабильную кубическую кристаллическую структуру. Обратите внимание, что эти оксиды-стабилизаторы могут оказывать стабилизирующее действие только в том случае, если радиус их металлических ионов отличается от радиуса Zr⁴⁺ менее чем на 40%.
В области применения керамика из диоксида циркония (особенно армированного типа, такого как упрочненный при трансформации диоксид циркония и диоксид циркония, стабилизированный иттрием YSZ) широко используется в различных областях промышленности и техники благодаря своим превосходным свойствам. Самое главное, благодаря своим выдающимся механическим свойствам и устойчивости к высоким температурам, он используется в качестве конструкционного материала в машиностроении (в качестве керамических инструментов, измерительных инструментов, подшипников, форм, уплотнений и т. д.), металлургической промышленности (тигли, огнеупорные материалы, сопла непрерывного литья, опоры сжатия, направляющие ролики и т. д.), военной промышленности (слои ракетной изоляции, пуленепробиваемые бронеплиты), химической промышленности, текстильной промышленности, биоинженерии, включая зубные коронки, ортопедические имплантаты и тазобедренный сустав. шары и повседневная жизнь и т. д.
Керамика из оксида магния : ключевой материал в современной металлургии
Керамика из оксида магния является типичным типом новой керамики и также относится к традиционным огнеупорным материалам. Оксид магния сам по себе обладает сильной устойчивостью к эрозии растворами щелочных металлов. Подготовленные керамические тигли из оксида магния, в том числе тигли из MgO высокой чистоты и тигли из плавленого магнезия, обладают превосходными химическими свойствами и стабильностью в противодействии эрозии металла и не вступают в реакцию с магнием, никелем, ураном, алюминием, молибденом и т. д. Под окислительной атмосферой или защитой азота керамика из оксида магния, такая как футеровка печей, термопарные трубки и изолирующие подложки, может стабильно работать при температуре до 2400 ℃. Поэтому оксид магния является ключевым материалом в передовых процессах современной металлургической промышленности.
С точки зрения приготовления сырье поступает из минералов или морской воды. В процессе спекания необходимо добавлять добавки для корректировки свойств. Магнийсодержащие соединения широко распространены в природе и существуют в различных минеральных формах в земной коре и океане, таких как магнезит, доломит, виллемит и тальк. В промышленности MgO, обычно в виде обожженной магнезии или плавленой магнезии, в основном добывается из вышеуказанных минералов. Недавно была разработана технология добычи магнезии из морской воды. При извлечении MgO из минералов или морской воды большая часть процесса включает сначала получение гидроксида или карбоната магния, а затем путем прокаливания он разлагается на MgO с получением кальцинированной магнезии. Этот MgO может быть дополнительно обработан путем химической или термической обработки для получения MgO высокой чистоты, подходящего для современных марок керамики. После обработки MgO-сырья ингредиенты смешивают по составу. Чтобы ускорить спекание и слегка увеличить зерна, а также уменьшить склонность к гидратации во время подготовки, можно добавить некоторые добавки, такие как TiO2, Al2O3, V2O3 и т. д. Если требуется керамика MgO высокой чистоты, такая как прозрачная керамика MgO или электрические изоляторы высокой плотности, метод стимулирования спекания и роста зерна путем добавления добавок не может быть использован. Вместо этого применяется метод активационного спекания, то есть Mg(OH)2 прокаливают при соответствующей температуре для получения активного MgO со многими дефектами решетки, который используется для производства спеченной керамики из оксида магния, включая тигли, трубки и подложки для специализированных применений.
В области применения теоретическая рабочая температура керамики из оксида магния, включая изделия из спеченной магнезии и плавленой магнезии, может достигать 2200 ℃, и их можно использовать непрерывно в диапазоне от 1600 ℃ до 1800 ℃. Их высокотемпературная стабильность и коррозионная стойкость превосходят глиноземную керамику. Кроме того, они не вступают в реакцию с Fe, Ni, U, Th, Zn, Al, Mo, Mg, Cu, Pt и т. д. Поэтому область их применения может включать: тигли или другие огнеупорные материалы, такие как футеровочные кирпичи и литейные насадки в металлургической промышленности в агрессивных условиях, например, в производстве стали и стекла. Керамика из оксида магния может использоваться в качестве тиглей для выплавки металлов, а также подходит для выплавки урана и тория высокой чистоты в атомной энергетике; их также можно использовать в качестве защитных чехлов для термопар. Благодаря своему свойству пропускания электромагнитных волн его можно использовать в качестве материалов для радарных куполов и окон для проецирования инфракрасного излучения, а также в тиглях для плавки металлов, сплавов, таких как никелевые сплавы, радиоактивных металлов, урановых и ториевых сплавов, железа и его сплавов и т. д. Его также можно использовать в качестве сырья для пьезоэлектрических и сверхпроводящих материалов, он не загрязняет окружающую среду, устойчив к коррозии свинца и т. д. Его также можно использовать в качестве керамики. носители для спекания, такие как установочные пластины и печная мебель, особенно для керамических изделий с коррозионными и летучими веществами при высоких температурах, такими как β-Al2O3.
Керамика из оксида бериллия : Оксидная керамика с самой высокой теплопроводностью , однако токсичность порошка ограничивает ее применение .
BeO — единственная гексагональная структура вюрцита среди оксидов щелочноземельных металлов. Благодаря вюрцитной структуре и прочной ковалентной связи BeO, а также относительно низкой молекулярной массе BeO обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью, примерно в 10 раз превышающей теплопроводность оксида алюминия. Его теплопроводность при комнатной температуре может достигать 250 Вт/(м·К), что сравнимо с теплопроводностью металлов, а его электрические свойства, термостойкость, термостойкость и химическая стабильность превосходны при высоких температурах и высоких частотах, что делает его пригодным для высокопроизводительных радиаторов и материалов для окон для микроволновых печей. Однако фатальным недостатком керамики BeO, которую обычно называют бериллиевой керамикой, является ее чрезвычайно высокая токсичность. Длительное вдыхание пыли BeO может вызвать отравление и даже поставить под угрозу жизнь, а также вызвать загрязнение окружающей среды, что сильно влияет на производство и применение керамических подложек и компонентов BeO, таких как корпуса лазерных трубок и корпуса радиочастотных транзисторов.
В области применения керамика из оксида бериллия, такая как теплоотводы BeO и герметичные уплотнительные пакеты, обладает высокой теплопроводностью, высокой огнеупорностью, отличными ядерными свойствами и отличными электрическими свойствами. Поэтому их можно применять в современных огнеупорных материалах, а также в качестве умножителей нейтронов в термоядерных реакторах, атомных энергетических реакторах, различных мощных электронных устройствах и интегральных схемах, включая радиолокационные системы, модули спутниковой связи и т. д. Однако нельзя игнорировать токсичность оксида бериллия. Поскольку страны во всем мире все больше придают большое значение защите окружающей среды, использование керамики из оксида бериллия, несмотря на ее незаменимую роль в некоторых военных и аэрокосмических системах терморегулирования, может подвергаться определенным ограничениям и влияниям в будущем.
Муллит: общий термин для минералов, состоящих из силиката алюминия .
Муллит – высококачественный огнеупорный материал. Этот вид минерала относительно редок. Муллит — минерал, образующийся в результате реакции силиката алюминия при высоких температурах. При искусственном нагревании силиката алюминия образуется муллит. Природный кристалл муллита имеет тонкую игольчатую форму и расходящиеся кластеры. Муллитовую руду используют для производства жаропрочных огнеупорных материалов. Он часто используется в качестве термобарьерного покрытия в композитных материалах C/C и широко применяется. Муллит — стабильный бинарный твердый раствор в системе элементов AI2O3-SiO2 при нормальном давлении. Природный муллит с химической формулой AI2O3-SiO2 встречается очень редко и обычно синтезируется такими методами, как спекание или электросплавление.
Муллит, используемый в крупномасштабном промышленном применении при высоких температурах, подразделяется на два основных типа в зависимости от метода его получения: электрически плавленый муллит, обычно используемый в огнеупорных кирпичах и монолитных отливках, и спеченный муллит. Муллит – высококачественный огнеупорный материал. Впервые он был обнаружен на острове Малл в Шотландии и назван в честь этого места. Алюминиевые и кремниевые компоненты муллита образуют ряд, и они могут стабильно существовать при нормальной температуре и давлении. Природный муллит встречается относительно редко и обычно его получают путем термической обработки соединений алюминия и кремния для получения агрегатов и зерен специального муллита. Синтез муллита можно разделить на твердофазный синтез (включая традиционный золь-гель (SSG) процесс), жидкофазный синтез и газофазный синтез. Муллит, синтезированный твердофазными и жидкофазными методами, можно классифицировать как спеченный муллит, обычно используемый в печной мебели и керамических фильтрах, и плавленый муллит в зависимости от температуры нагрева и состава алюминий-кремний. Под спеченным муллитом подразумевается нагрев сырья синтезированного муллита до температуры, при которой образуется небольшое количество жидкой фазы, что способствует спеканию, не влияя на твердофазное спекание, а затем выдерживается при температуре, позволяющей муллиту кристаллизоваться и расти, образуя желаемую морфологию и структуру муллита. Плавленый муллит образуется путем нагревания смеси глинозема и кремнезема выше температуры плавления муллита и кристаллизации в процессе охлаждения с получением зерен плавленого муллита высокой чистоты для современных огнеупорных применений. Золь-гель метод получения муллита также известен как химический муллит, который представляет собой муллит, полученный в результате химических реакций, термического разложения и образования муллита, в результате чего получаются мелкие порошки муллита для технической керамики и покрытий. Характеристики муллита, полученного этим методом, во многом зависят от чистоты, однородности, температуры кристаллизации и плотности соединения.
В области применения новые огнеупорные материалы из муллита в настоящее время широко используются в высокотемпературном оборудовании, таком как муфельные печи, обжиговые печи, котлы и вращающиеся печи. Использование муллита для изготовления высокотемпературного оборудования не только обеспечивает высокую термостойкость, но и обладает длительным сроком службы и коррозионной стойкостью. Муллит в сочетании с другими высококачественными материалами может дополнять преимущества друг друга и образовывать огнеупорные материалы с лучшими характеристиками. Например, при использовании компонентов корунд-муллитовой композитной керамической печи полученный материал обладает такими преимуществами, как небольшой коэффициент теплового расширения, отличная стойкость к термическому удару, высокая огнеупорность и хорошая стабильность при высоких температурах. Кроме того, применение муллита в области электротехники демонстрирует его превосходные свойства в качестве основного материала. Он имеет очень низкую диэлектрическую проницаемость и может работать с высокой плотностью цепей. Муллитовая керамика и стеклокерамические композиты на основе муллита используются как превосходные функциональные материалы для высокопроизводительных интегральных схем.
1.1.2 Керамика азота азота
Нитридная керамика — это керамика, образованная путем соединения азота с металлами или неметаллическими элементами. Они относятся к типу важных конструкционных и функциональных материалов.
Нитридная керамика обладает превосходными механическими, химическими, электрическими, термическими и высокотемпературными физическими свойствами. Они широко применяются в таких отраслях, как металлургия, авиация, химическое машиностроение, керамика, электроника, машиностроение и производство полупроводников. Однако многие нитриды, состоящие из азота и металлических элементов, нестабильны при высоких температурах и склонны к окислению, поэтому не могут свободно существовать в природе и могут быть только синтезированы искусственно. В настоящее время основные методы синтеза нитридов включают типы ковалентных связей, такие как нитрид бора, нитрид алюминия и нитрид кремния.
Керамика из нитрида алюминия : идеальный конструкционный материал для подложек схем и корпусов в микроэлектронной промышленности .
Нитрид алюминия (AlN), как новый тип керамического материала, в последние годы стал одной из горячих точек исследований в области новых материалов. Хотя порошок AlN был синтезирован и произведен еще более ста лет назад, из-за присущей ему трудности спекания в последующие десятилетия было проведено не так много исследований AlN. В 1950-х годах впервые была произведена керамика AlN, такая как основные тигли и простые компоненты, но в то время ее прочность была очень низкой, что ограничивало ее промышленное применение. В 1970-х годах была получена плотная нитридная алюминиевая керамика, включающая теплопроводящие подложки и керамические пакеты, и был обнаружен ряд превосходных характеристик, таких как отличная теплопроводность, надежная электроизоляция, высокая термостойкость, коррозионная стойкость, низкая диэлектрическая проницаемость и коэффициент теплового расширения, соответствующий кремнию. Особенно в последние годы, с быстрым развитием технологий микроэлектроники, электронные устройства становятся все более многофункциональными, миниатюрными и высокоинтегрированными, мощные электронные устройства выделяют большое количество тепла во время работы. Чтобы избежать выхода электронных устройств из-за перегрева, для отвода тепла необходима подложка, такая как медные подложки прямого соединения (DBC) и толстопленочные керамические схемы с высокой теплопроводностью. AlN обладает превосходной теплопроводностью и является идеальным материалом для нового поколения подложек, в частности, подложек мощных светодиодов, ВЧ/микроволновых корпусов и компонентов оборудования для обработки полупроводников, таких как электростатические патроны и нагревательные пластины. Его превосходная стойкость к высокотемпературной коррозии, высокотемпературная стабильность, высокая прочность и твердость делают его имеющим большой потенциал для применения в высокотемпературных конструкционных материалах, включая защитные трубы, теплообменники и компоненты для аэрокосмических систем.
Нитрид алюминия, как ковалентное соединение, трудно поддается твердофазному спеканию. Обычно применяется метод жидкофазного спекания, то есть к порошку исходного материала нитрида алюминия добавляются вспомогательные средства для спекания, способные генерировать жидкую фазу, и в результате растворения образуется жидкая фаза, способствующая спеканию.
В качестве искусственно синтезированного материала процесс приготовления керамики из нитрида алюминия обычно включает сначала синтез порошка нитрида алюминия, а затем спекание полученного порошка с образованием керамики. Из-за высокой ковалентной составляющей связи алюминий-азот (Al-N) в нитриде алюминия температура плавления нитрида алюминия высокая, коэффициент самодиффузии мал, активность спекания низкая. Поэтому это трудно спекаемый керамический материал. По словам редактора China Powder Network, когда чистота порошка нитрида алюминия высока, очень сложно добиться полного уплотнения путем спекания, а в керамических зернах или на границах зерен имеются поры, что значительно ограничивает практическое применение керамики из нитрида алюминия. Введение соответствующих спекающих добавок может, с одной стороны, вступать в реакцию с Al2O3, образующимся на поверхности AlN, с образованием второй фазы с более низкой температурой плавления за счет эффекта поверхностного натяжения жидкой фазы, способствуя перестройке зерен AlN и ускоряя процесс уплотнения спеченного изделия. С другой стороны, образовавшаяся вторая фаза после охлаждения выпадает в осадок и конденсируется на границах зерен, уменьшая возможность поступления кислорода в решетку при высоких температурах и играя роль в очистке решетки и улучшении теплопроводности. В настоящее время обычно используемые вспомогательные средства для спекания в основном включают оксиды и фториды. Оксиды в основном включают Y2O3, Sm2O3, La2O3, Dy2O3 и CaO; в то время как фториды включают CaF2, YF3 и т. д. Среди них Y2O3 обладает сильной способностью к удалению кислорода, хорошей стабильностью и превосходными комплексными характеристиками, становясь наиболее часто используемым вспомогательным средством для спекания; в то время как CaO из-за более низкой температуры образования жидкой фазы играет более очевидную роль в низкотемпературном спекании.
С точки зрения применения керамика из нитрида алюминия имеет относительно высокую прочность при комнатной температуре и не подвержена влиянию температурных изменений. Он также имеет относительно высокую теплопроводность и относительно низкий коэффициент теплового расширения. Это отличный термостойкий материал и теплообменный материал. В качестве теплообменного материала его предполагается применять в теплообменниках газовых турбин. Кроме того, керамика из нитрида алюминия является высокотемпературным термостойким материалом. Его теплопроводность высокая, более чем в 5 раз выше, чем у глиноземной керамики, а коэффициент расширения низкий, что соответствует коэффициенту расширения кремния. Подложка, изготовленная с использованием керамики из нитрида алюминия в качестве основного сырья для изготовления медных подложек прямой связи (DBC) и толстопленочных керамических схем, имеет превосходные характеристики, такие как высокая теплопроводность, низкий коэффициент расширения, высокая прочность, коррозионная стойкость, отличные электрические характеристики и хорошая светопроницаемость. Это идеальная подложка для отвода тепла и упаковочный материал для крупномасштабных интегральных схем. Благодаря постоянному совершенствованию технологий электронной информационной индустрии миниатюризация и функциональная интеграция подложек печатных плат стали тенденцией. Требования рынка к характеристикам теплоотвода и устойчивости к высоким температурам теплоотводящих подложек и упаковочных материалов постоянно растут. Характеристики относительно обычных материалов подложки трудно удовлетворить требованиям рынка. Разработка керамических подложек из нитрида алюминия, включая подложки автомобильных силовых модулей и компоненты для оборудования по производству полупроводников, открыла новые возможности.
Керамика из нитрида кремния : один из лучших материалов по комплексным характеристикам среди современной керамики .
С развитием современной науки и техники требования к конструкционным материалам в таких областях, как авиация и аэрокосмическая энергетика, становятся все выше. Разработка и исследование конструкционных материалов с превосходными свойствами, такими как устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость, сопротивление трению, высокая прочность, высокая твердость и комплексные механические характеристики, стали чрезвычайно важными. Керамика Si3N4, в частности спеченный нитрид кремния (SSN) и нитрид кремния с реакционной связью (RBSN), является одним из материалов с лучшими комплексными характеристиками среди современной керамики. Его электрические, термические и механические свойства очень превосходны. Его можно использовать при температуре до 1400℃ в окислительной атмосфере и до 1850℃ в нейтральной или восстановительной атмосфере. Он не только подчеркивает преимущества обычных керамических материалов, такие как твердость, термостойкость, износостойкость и коррозионная стойкость, но также обладает такими преимуществами, как хорошая термостойкость, сопротивление ползучести при высоких температурах, хорошая самосмазка, отличная химическая стабильность, а также относительно низкая плотность, низкая диэлектрическая проницаемость, низкие диэлектрические потери и другие отличные диэлектрические свойства.
Молекулярная масса нитрида кремния составляет 140,28. В весовом проценте кремний составляет 60,28%, а азот — 39,94%. Электроотрицательности этих двух элементов одинаковы. В кристалле нитрида кремния связи Si-N образованы в основном ковалентными связями (причем ионные связи составляют лишь 30%), а прочность связи высока. Нитрид кремния не имеет температуры плавления. Он сублимирует и разлагается при 1870°C при нормальном давлении, имеет высокое давление пара и очень низкий коэффициент диффузии. Атомы Si и атомы N связаны очень прочными ковалентными связями, что обеспечивает высокую прочность, высокую твердость, высокую термостойкость и изоляционные свойства нитрида кремния, что делает его идеальным для таких изделий, как шарикоподшипники, режущие инструменты и роторы турбокомпрессоров. Из-за сильной ковалентной связи между атомами Si и атомами N диффузия атомов происходит очень медленно при высоких температурах, поэтому в процессе спекания необходимо добавлять такие добавки, как иттрий (Y₂O₃) и оксид алюминия (Al₂O₃), которые образуют жидкую фазу при высоких температурах, чтобы способствовать диффузии и ускорить уплотнение спекания.
Свойства нитридкремниевой керамики тесно связаны с методом спекания. Высокотемпературные механические свойства нитрида кремния во многом зависят от межзеренной стеклофазы. Для улучшения характеристик спекания нитрида кремния в сырье добавляют спекающие добавки. При высоких температурах спекающие добавки образуют стеклофазу, которая после охлаждения остается на границах зерен. Сохранение и проявление этих высокотемпературных свойств нитрида кремния могут быть достигнуты только посредством инженерной обработки границ зерен. В противном случае размягчение межзеренной стеклофазы при высоких температурах приведет к возникновению зернограничного скольжения, что оказывает существенное влияние на жаропрочность, ползучесть и медленное распространение трещин при статической усталости. Скорость зернограничного скольжения связана со свойствами (например, вязкостью) стеклофазы, ее количеством и распределением.
В области применения керамика Si3N4, включая высокопроизводительные марки, такие как нитрид кремния горячего прессования (HPSN) и нитрид кремния, спеченный под давлением газа (GPSN), является важным конструкционным материалом. Это чрезвычайно твердое вещество, обладающее смазочными свойствами и устойчивое к износу. За исключением плавиковой кислоты, он не реагирует с другими неорганическими кислотами. Он обладает сильной коррозионной стойкостью и устойчив к окислению при высоких температурах. Более того, он выдерживает термический удар и не разрушается даже при нагревании на воздухе до температуры более 1000°C, а затем быстром охлаждении и повторном нагреве. Благодаря своим превосходным свойствам керамика Si3N4 часто используется для производства механических компонентов, таких как подшипники, в частности полностью керамические подшипники и гибридные керамические подшипники, лопатки турбин, механические уплотнительные кольца и постоянные формы. Среди них, благодаря легкому весу и высокой жесткости Si3N4, его можно использовать для производства шарикоподшипников, которые имеют более высокую точность, чем металлические подшипники, выделяют меньше тепла и могут работать при более высоких температурах и в агрессивных средах. Паровые сопла из Si3N4, такие как форсунки и износостойкие вкладыши, обладают износостойкими и термостойкими свойствами. После использования в котле с температурой 650°C в течение нескольких месяцев они не имеют видимых повреждений, в то время как насадки из других жаропрочных и коррозионностойких легированных сталей можно использовать только в течение 1-2 месяцев в тех же условиях.
Керамика из нитрида бора : мягкая керамика среди керамических материалов с отличными свойствами механической обработки .
Нитрид бора был изобретен более 100 лет назад. Его самым ранним применением был гексагональный нитрид бора [сокращенно h-BN, или a-BN, или g-BN (т.е. нитрид бора графитового типа)], который использовался в качестве высокотемпературной смазки и в качестве антиадгезива для форм при литье цветных металлов. h-BN не только имеет структуру, аналогичную графиту, но и имеет аналогичные свойства, а также имеет белый цвет по своей природе, поэтому его широко называют белым графитом. Керамика из нитрида бора (BN) была открыта как соединение еще в 1842 году. За рубежом после Второй мировой войны проводились обширные исследования материалов BN, и они были разработаны только после того, как в 1955 году был открыт метод термического прессования BN. В 1957 году исследователь успешно разработал абразивные зерна кубического нитрида бора CBN, а в 1969 году некая компания продавала их под торговой маркой Borazon. В 1973 году США объявили о производстве режущих инструментов из КНБ. В 1975 году Япония представила технологию из США, а также произвела режущие инструменты из CBN. В 1979 году Соколовский успешно применил импульсно-плазменную технологию для получения пленок c-BN при низкой температуре и низком давлении. В конце 1990-х годов люди смогли использовать различные методы физического осаждения из паровой фазы (PVD) и химического осаждения из паровой фазы (CVD) для получения пленок c-BN. Он обладает превосходным термическим сопротивлением, термической стабильностью, теплопроводностью и высокотемпературной диэлектрической прочностью, что делает его идеальным материалом для рассеивания тепла в виде термоинтерфейсных прокладок, электроизоляционных подложек и высокотемпературного изоляционного материала. Нитрид бора обладает хорошей химической стабильностью и может противостоять эрозии большинства расплавленных металлов. Он также обладает хорошими самосмазывающимися свойствами. Твердость изделий из нитрида бора, таких как горячепрессованные детали BN и пиролитические покрытия BN, низкая, что позволяет производить механическую обработку с точностью до 1/100 мм.
На этапе подготовки соединений с ковалентной связью обычным методом является добавление спекающих добавок. Обычно используемые вспомогательные средства для спекания BN включают B2O3, Si3N4, ZrO2, SiO2, BaCO3 и др. В настоящее время существует множество методов получения порошка нитрида бора. Основываясь на своих принципах, их можно грубо разделить на две категории: одна - это метод синтеза, который в основном включает метод высокотемпературного синтеза, метод золь-гель синтеза, темплатный метод и метод химического осаждения из паровой фазы (CVD); другой - метод отшелушивания, в том числе метод жидкофазного ультразвукового отшелушивания, метод отшелушивания лазерным травлением, метод механического шарового измельчения и т. д. С постоянным углублением исследований нитрида бора постепенно открываются свойства некоторого наноструктурированного нитрида бора. С одной стороны, нанопорошки обладают высокой удельной поверхностной энергией и высокой активностью спекания, что может эффективно способствовать уплотнению керамики h-BN; с другой стороны, использование нанопорошков в качестве сырья может снизить температуру спекания, уменьшить размер зерна спеченного керамического тела, улучшить ударную вязкость керамики и улучшить механические свойства керамики h-BN для применения в высокотемпературных печах и приспособлениях для обработки полупроводников, закладывая основу для промышленного крупномасштабного применения керамики h-BN.
В области применения нитрид бора может использоваться для изготовления тиглей для плавки полупроводников и высокотемпературных контейнеров для металлургии, в частности тиглей из нитрида бора и разрывных колец для непрерывного литья, полупроводниковых теплоотводящих и изоляционных деталей, высокотемпературных подшипников, гильз термопар и форм для формования стекла и т. д. Обычно производимый нитрид бора имеет графитовую структуру и широко известен как белый графит. Другой тип — алмазоподобный, по принципу превращения графита в алмаз. Графитоподобный нитрид бора может быть преобразован в алмазоподобный нитрид бора при высокой температуре (1800 ℃) и высоком давлении (800 МПа). В этом типе нитрида бора длина связи BN (156 пм) аналогична таковой у алмаза (154 пм), а его плотность также аналогична плотности алмаза. Его твердость сравнима с твердостью алмаза, а термостойкость лучше, чем у алмаза. Это новый тип жаростойкого сверхтвердого материала, особенно режущих вставок из кубического нитрида бора (CBN) и шлифовальных кругов, который используется для изготовления сверл, инструментов и режущих инструментов.
Сиалоновая керамика: мягкая керамика среди керамических материалов с отличными свойствами механической обработки .
Сиалон представляет собой соединение, образованное комбинацией элементов Si, Al, O и N. Транслитерируется как «Сиалон». Сиалоновая керамика относится к ряду соединений Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2. Они представляют собой разновидность плотной поликристаллической нитридной керамики, разработанной на основе керамики Si3N4, образованной путем частичной замены атомов Si и N в Si3N4 атомами Al и O из Al2O3. Сиалоновая керамика была открыта Оямой и исследователями из Японии (в 1971 году) и Джеком и Уилсоном из Великобритании (в 1972 году). В ходе исследований различных добавок для керамики из нитрида кремния они обнаружили твердые растворы в нитридах металлов, а именно твердый раствор Si3N4 в системе SiO2-Al2O3, который эффективно способствовал спеканию и, таким образом, привел к открытию сиалона (сиалоновой керамики). К основным категориям сиалоновой керамики относятся β'-сиалон, α'-сиалон и О'-сиалон, причем первые два являются наиболее распространенными.
В процессе приготовления при изготовлении сиалоновой керамики следует выбирать ультрадисперсные и высокодисперсные порошки Si3N4. Должны быть приняты соответствующие технологические меры для контроля состава и структуры зернограничных фаз, чтобы получить материалы с превосходными характеристиками. Поскольку сиалоновая керамика имеет широкий диапазон твердых растворов, состав сиалоновой керамики может быть разработан в соответствии с заранее заданными характеристиками путем регулирования соотношения компонентов твердого раствора. Путем соответствующего регулирования количества добавляемых добавок можно получить оптимальное соотношение α-сиалона и β-сиалона и получить материал с лучшим сочетанием прочности и твердости. Сиалоновую керамику обычно спекают без давления или под горячим прессованием. Их спекают в инертной атмосфере при температуре 1600-1800℃, в результате чего могут быть получены спеченные изделия с близкой теоретической плотностью. Основными добавками являются MgO, Al2O3, AlN, SiO2 и др. В то же время добавление Y2O3 и Al2O3 позволяет получить сиалоновую керамику очень высокой прочности. Более того, добавление Y2O3 может снизить температуру спекания сиалоновой керамики. Процесс производства сиалоновой керамики при нормальном давлении заключается в смешивании порошка Si3N4 с соответствующим количеством порошка Al2O3 и порошка AlN, а затем его спекании в атмосфере N2 при температуре 1700 ℃. Свойства твердого раствора изменяются в зависимости от его состава и температуры обработки.
На стороне приложения
Являясь новым типом высокотемпературной конструкционной керамики с выдающимися характеристиками, сиалоновая керамика имеет широкие перспективы применения в военной промышленности, аэрокосмической промышленности, машиностроении, электронной промышленности и других областях.
Сиалоновая керамика обладает высокой твердостью и превосходной износостойкостью и применяется в машиностроении для производства подшипников, уплотнений, приварных втулок, позиционирующих штифтов и износостойких компонентов. Они также могут использоваться в качестве распределителей потока для непрерывного литья, защитных трубок для термопар, выращивания кристаллов, тиглей, футеровки нижней части доменных печей, волочильных оправок для труб из медно-алюминиевых сплавов, а также в качестве фильерных материалов для процессов прокатки, экструзии и литья под давлением.
Кроме того, сиалоновая керамика применима для изготовления режущих инструментов — ее красная твердость превосходит твёрдость цементированных карбидов WC-Co и оксида алюминия, что позволяет выполнять высокоскоростную резку даже при температуре кончика инструмента, превышающей 1000 ℃. Из них также можно изготавливать прозрачную керамику (например, трубки натриевых ламп высокого давления, окна для высокотемпературных инфракрасных термометров) и использовать в качестве биокерамики для изготовления искусственных суставов и других имплантатов.
