中國粉體網(wǎng)訊  氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料是一種特殊的碳化硅制品，20世紀(jì)70年代被廣泛應(yīng)用于磨具磨料以及電陶瓷行業(yè)，上世紀(jì)80年代我國將該材料進(jìn)行引入。

氮化硅和碳化硅的密度相近，當(dāng)柱狀的氮化硅穿插在碳化硅顆粒之間并發(fā)生燒結(jié)，產(chǎn)生的增韌和強(qiáng)化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一材料性能。氮化硅陶瓷的脆性較大，可以與碳化硅材料復(fù)合改善脆性，提升斷裂韌性；而碳化硅材料不足的性能，如力學(xué)性能、抗氧化、耐磨損等，在與氮化硅復(fù)合之后也能得到改善。

氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料莫氏硬度為9左右，僅次于金剛石；常溫強(qiáng)度高并且在1200-1400℃時此材料的強(qiáng)度和硬度可以保持與常溫狀態(tài)相同。由于在燒結(jié)過程中復(fù)合材料玻璃相少，在實(shí)際使用過程中不會發(fā)生過量的高溫變形。這使得氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料在大型煉鐵爐、鋁電解槽、陶瓷窯具、垃圾焚燒爐和魯奇液態(tài)排渣爐等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

氮化硅結(jié)合碳化硅制品（圖片來源：湖州氮化硅制品有限公司）

工業(yè)上，氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料以SiC和Si為主要組分，加入添加劑后成型，然后放置在氮化爐中通入高純氮?dú)�，在一定溫度下氮化燒結(jié)而成。

氮化硅結(jié)合碳化硅制品的生產(chǎn)工藝流程（圖片來源：任云等，《影響氮化硅結(jié)合碳化硅制品質(zhì)量的因素及其控制措施研究》）

這種方法使得Si粉直接氮化原位生成氮化硅。Si₃N₄晶體在生長過程中與SiC形成牢固的機(jī)械結(jié)合，形成了SiC大顆粒被棒狀的Si₃N₄與部分粒狀的SiC基質(zhì)包圍。由于直接氮化法無法準(zhǔn)確的控制晶體生長，因此其產(chǎn)品為α-Si₃N₄與β-Si₃N₄的兩相混合物，α-Si₃N₄晶相的含量直接決定復(fù)合材料的品質(zhì)。

原料

氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料涉及到的主要生產(chǎn)原料有碳化硅、硅粉、氮?dú)�、添加劑等�?/p>

碳化硅、硅粉、氮?dú)?/strong>

碳化硅的純度應(yīng)達(dá)到98.5%以上，硅粉的純度應(yīng)達(dá)到99%以上，氮?dú)獾募兌葢?yīng)達(dá)到99.9%以上。

除了原料的純度需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制之外，由于后續(xù)氮化過程中坯體基本不收縮，因此氮化制品的密度取決于坯體的密度，坯料的顆粒組成對坯體的密度有著很大的影響，生產(chǎn)加工過程中需要對原料的粒度和顆粒級配進(jìn)行嚴(yán)格的控制，按照配方將粗、中、細(xì)SiC砂和Si粉稱重混合。

添加劑

含F(xiàn)e、Co、Ni或Cr等催化劑，可以促進(jìn)硅粉的氮化和氮化硅晶須的生長，并提升材料的力學(xué)性能或抗侵蝕性能。

燒結(jié)助劑可以促進(jìn)氮化硅結(jié)合碳化硅材料的燒結(jié)致密化，并提升其力學(xué)性能。氧化物燒結(jié)助劑是陶瓷燒結(jié)中研究最多的一類燒結(jié)助劑，常見的有Al₂O₃、MgO、ZrO₂、SiO₂、RE₂O₃(RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc)等；非氧化物燒結(jié)助劑目前研究較多的有YF3、YbF3、MgSiN2等。

適量增強(qiáng)相可以提高材料的力學(xué)性能和抗氧化性能，常見的增強(qiáng)相有Al₂O₃、ZrSiO₄、B₄C、納米Si₃N₄、Ti-Si-Fe合金粉、石墨烯或碳納米管等。

結(jié)合劑

臨時結(jié)合劑的加入主要有兩大功效，一是可以幫助原料之間融合實(shí)現(xiàn)均質(zhì)體，改善原料顆粒表面的分散性，為胚體成型創(chuàng)建良好的條件；二是氮化硅結(jié)合碳化硅制品在干燥和燒成的工序中要面臨升溫的過程，而在高溫條件下，氮化硅結(jié)合碳化硅制品中的臨時結(jié)合劑會分解，氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)過程中給氮化硅結(jié)合碳化硅制品留下大量的網(wǎng)絡(luò)狀氣孔通道，不僅更有利于氮?dú)獾某淙�，提高了硅粉和氮�(dú)庵�間的反應(yīng)效率，而且也能夠更有利于最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

臨時結(jié)合劑主要有：有機(jī)糊精、木質(zhì)素磺酸鈣以及德國司馬化工分散劑等，目前行業(yè)內(nèi)對于臨時結(jié)合劑的添加量質(zhì)量百分比通常在5%以內(nèi)。

成型

目前，氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的成型工藝主要有半干法成型和注漿成型兩大類。

半干法成型應(yīng)用更加普遍，該成型方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高適合大規(guī)模生產(chǎn)，缺點(diǎn)是只能制造形狀簡單粗大的產(chǎn)品而無法生產(chǎn)薄板以及形狀復(fù)雜的制品。

注漿成型國內(nèi)應(yīng)用較多，該方法工藝簡單，成本低廉。但要求漿料性能一定要好，決定漿料好壞的因素有很多，其中碳化硅微粉的表面處理占有很重要的地位；此外，該方法成型坯體強(qiáng)度低且石膏模的吸水過程易造成坯體的密度呈現(xiàn)梯度分布。

凝膠注模是近幾年發(fā)展起來的新型陶瓷成型技術(shù)，可成型形狀復(fù)雜均勻性良好的坯體，已成為陶瓷材料理想的成型技術(shù)。其成型方法是首先將陶瓷粉料分散于含有有機(jī)單體和交聯(lián)劑的溶液中，制備成高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮料漿，然后注入一定形狀的模具中，在一定條件下使有機(jī)單體與交聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而料漿原位固化成型。

凝膠注模成型工藝示意圖（圖片來源：中科院上硅所）

燒結(jié)

氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的燒結(jié)方法有反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)、振蕩壓力燒結(jié)等。無論何種燒結(jié)方式，材料的燒結(jié)制度影響了硅粉的氮化率，選擇合適的升溫速率、燒結(jié)溫度和保溫時間會促進(jìn)硅粉的氮化并提升材料的致密度和強(qiáng)度。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時，硅粉的氮化不完全；而燒結(jié)溫度過高時，氮化硅會發(fā)生分解，使材料致密度下降并損害其力學(xué)性能。

在硅粉與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)的過程中，大致經(jīng)歷兩個溫度段：首先是升溫階段，然后是原料的氮化反應(yīng)階段。其中升溫階段裝置內(nèi)的溫度由初始溫度升高至1100℃左右，而原料氮化反應(yīng)階段的溫度在1100～1350℃。

結(jié)語

氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料具有低膨脹、高熱導(dǎo)、絕緣以及壽命長等特性。同時此材料耐腐蝕、抗氧化、抗侵蝕能力強(qiáng)、絕緣性好，對一般的無機(jī)酸與堿溶液以及熔融有色金屬均具有一定的承受能力。

這些獨(dú)特高溫特性，使得氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的市場需求量正在穩(wěn)步提升。隨著工業(yè)科技的發(fā)展，對材料制品的尺寸、精度要求越來越高，尤其在復(fù)雜形狀的異形件上更為突出，市場對陶瓷及耐火材料的需求不僅只有形狀簡單的磚和大板，對一些異形件、小型件及薄板的需求也在逐年增多。為適應(yīng)市場要求，還需要研究制定氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷材料新的生產(chǎn)工藝路線，為市場增添形狀、尺寸多樣的氮化硅/碳化硅復(fù)合陶瓷制品。

參考資料：

1、和嬌嬌等，《氮化硅結(jié)合碳化硅噴嘴的成形工藝研究》

2、董博等，《氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合材料性能優(yōu)化的研究進(jìn)展》

3、任云等，《影響氮化硅結(jié)合碳化硅制品質(zhì)量的因素及其控制措施研究》

4、徐晗，《氮化硅結(jié)合碳化硅材料凝膠注模成型工藝研究》

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）

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