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粉体百科丨新型陶瓷材料——塞隆陶瓷(SiAlON)


来源:中国粉体网   平安

[导读]  SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高温机械强度及化学稳定性。这些优异性能比大多数的钢与合金好,因而得到较为广泛的应用。

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塞隆陶瓷(SiAlON)简介

为综合Si3N4良好的抗热震性能以及Al2O3优异的烧结性,英国陶瓷学家Jack和Wilson以及日本学者Oyama在1971~1972年独立发现Al2O3可以固溶到β-Si3N4晶格当中形成固溶体这一现象。Si3N4中的Si、N原子可被Al2O3中的Al、O原子部分置换形成置换型固溶体,没有生成新的晶体结构,相应的晶胞尺寸增大,这是一种由Si-Al-O-N元素组成的新型陶瓷材料,即塞隆陶瓷(SiAlON)。

SiAlON陶瓷可分为α-SiAlON、β-SiAlON和(α+β)-SiAlON复合陶瓷。其中,α-SiAlON的结构类似于α-Si3N4,属于α-Si3N4的固溶体,通式为MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n(M表示金属大离子,Li+,Mg2+,Ca2+,Y3+等大多数稀土离子;x=m/z;x为金属大离子填充数,m表示(Al-N)取代(Si-N)的取代量,z为M的电价,n表示(Al-O)取代(Si-N)的取代量)。α-SiAlON陶瓷硬度高,耐磨性能好,抗热震性及抗氧化性能良好。

β-SiAlON为β-Si3N4晶格中固溶Al2O3形成的SiAlON陶瓷,其化学式可表示为:Si6-zAlzOzN8-z(0≤z≤4.2),其中z为Al或O原子置换Si或N原子的数目。当z值逐渐增大时,固溶的Al2O3增多,晶胞尺寸增大,得到β-SiAlON的密度和强度都会有所降低。β-SiAlON具有优良的强度、韧性和良好的烧结性能。

塞隆陶瓷的应用

SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高温机械强度及化学稳定性。这些优异性能比大多数的钢与合金好,因而得到较为广泛的应用。


SiAlON陶瓷的应用


塞隆陶瓷的粉体制备

目前,SiAlON陶瓷粉体的合成方法主要有:直接合成法、自蔓延高温合成法、碳热还原氮化法等。

直接合成法:以Si3N4、SiO2、Al2O3及AlN为原料,根据相图,严格按照各个组分的配比并选择适当的合成工艺条件高温合成SiAlON陶瓷粉体。

直接合成法的优点:易通过控制调节组分合成不同特殊需要的性能优越的塞隆陶瓷。缺点是Si3N4、AlN等原料价格昂贵,整个工艺能耗大,对设备要求高,限制了塞隆陶瓷的大规模生产及广泛应用。

自蔓延高温合成法(SHS):是将Si粉、Si3N4、AlN等按一定的比例充分混合后置于一定压力的氮气气氛中,点燃反应物顶端的钛粉,产生的高温使反应物开始发生燃烧反应,由于该合成反应是放热反应,一旦点燃就能够自发维持,并以一定的速率向前推进,数分钟内就能够完成整个合成反应。

由自蔓延高温合成法合成的SiAlON粉烧结成的SiAlON蜂窝陶瓷及SiAlON-SiC复合蜂窝陶瓷已被用于处理汽车尾气中CO的应用中。

自蔓延高温合成法的优点:工艺简单、反应温度高、速度快、能耗低,合成粉末纯度高、松散易碎,颗粒粒径小、活性高,粉体的烧结性能好,易烧结成致密化的SiAlON材料。缺点:SHS法所用的原料纯度要求较高,由于反应温度高,所以对设备的要求也高,这些都增加了成本,而且此法反应设备小、产量低、操作工艺严格,不适宜大规模生产。

碳热还原氮化法:是以SiO2、Al2O3为原料,也可以用天然原料高岭土、硅线石、叶腊石、稻壳、粉煤灰和火山灰等天然原料,还可以用硅酸盐水合物或者以硅、铝为主成分的废渣,其碳源也相当广泛,可以是碳粉、炭黑、无定形碳等无机碳,也可以是有机碳。碳在1400℃以上时具有很高的活性,足以打开Si-O键而形成C-O键,处于不饱和状态的Si与N及Al2O3等结合而达到饱和状态,从而形成了SiAlON材料。

碳热还原反应法的优点:原料丰富且价格低廉,反应温度低,设备简单,能耗较小,SiAlON粉体具有良好的烧结性能,是国内外专家普遍看好的新途径。缺点:生产过程中产生CO会污染环境,并且导致材料的气孔率高,降低了材料的质量,过量的碳不易除尽,影响产物的纯度及性能。

塞隆陶瓷的烧结工艺

目前,人们为了制备满足不同需求的SiAlON陶瓷,采用多种不同的制备工艺,各种工艺的优缺点也各有不同。下面列举了几种SiAlON陶瓷的烧结工艺以及它们的特点。

SiAlON陶瓷的烧结工艺


参考资料:

张笑妍.新型多孔陶瓷天线罩材料的制备及其性能研究.清华大学

姜坤.氮化硅粉体和Sialon粉体的合成工艺及其机理研究.合肥工业大学

何亚波.β-SiAlON/BN复相陶瓷的制备与性能评估.哈尔滨工业大学

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