氮化矽質耐火材料及陶瓷製品的製備方法

2021-01-15 找耐火材料網

氮化矽是強共價鍵化合物,為非氧化物,常壓下不存在液相,即沒有氮化矽熔體。氮化矽沒有液相擴散和液相燒結的過程,燒結驅動力非常小,因此,其無法通過普通陶瓷液相燒結的方式來製備緻密的氮化矽基陶瓷。即使是反應燒結技術,得到的樣品也有一定的氣孔率。為了獲得緻密的氮化矽陶瓷,通常在氮化矽粉體原料中加入氧化物的燒結助劑,利用氧化物存在時形成的一些熔融相來促進燒結的緻密化。一般的燒結助劑有氧化鋁、氧化釔、氧化鎂、氧化鈣等,不同的燒結助劑作用機制也不一樣,在製備不同種類的氮化矽陶瓷時,需要選用不同的燒結助劑或者複合燒結助劑。

(1)反應燒結(RS)

反應燒結是將金屬矽粉與氮化矽原料混合成型後,在高溫氮氣氣氛下,坯體中的金屬矽粉與氮氣反應生成新的氮化矽結合相,從而將原料氮化矽緊密的結合在一起,大約的反應燒結溫度為1400℃左右。這種方法不需要添加燒結助劑,氮化製品密度不高,無法達到完全的緻密化。因存在氮化深度等問題,無法對大型的部件進行反應燒結,只有厚度在一定範圍內的可用此工藝。

(2)常壓燒結(PLS)

常壓燒結是比較簡單的一種製備氮化矽陶瓷的方式,工藝設備比較簡單。將不同粒度的氮化矽粉末通過混料-成型製成生坯,然後在常壓燒結爐中燒結即可。在燒結過程中,α-Si3N4在高溫下轉變為β-Si3N4,促進了陶瓷製品的燒結。在燒結過程中,常通入氮氣作為保護氣,防止氮化矽的氧化並且抑制氮化矽的分解。其缺點為成品收縮率大,易開裂變形。

(3)熱壓燒結(HP)

將氮化矽粉末與燒結助劑混合均勻,置於石墨模具中,在高溫下燒結的同時,對其單向加壓,外加壓力增大了液相燒結的燒結驅動力,加快了α-β的轉變和陶瓷製品的緻密化,可獲得強度高,密度高,性能好的優良的氮化矽陶瓷製品,其密度可達到氮化矽理論密度的95%以上。然而,這種方法成本較高,生產效率低,而且無法製備複雜形狀的製品。由於單向加壓,其組織或者晶粒存在擇優取向,在各個方向上的性能並不完全一致,這一點上也制約了製品的應用

(4)氣壓燒結(GPS)

氣壓燒結是將氮化矽粉末與燒結助劑混合均勻,置於氣壓燒結爐中,在高溫和高的氮氣壓力下進行燒結。氮氣壓力的提高,抑制了氮化矽的分解,可以製備高合成溫度晶間相的氮化矽陶瓷,提高製品的高溫性能。氣壓燒結燒結效率較高,可以製備各種複雜形狀的製品,工藝簡單,大幅度地降低生產成本,適合大規模的生產;

(5)熱等靜壓法(HIP)

熱等靜壓燒結是將氮化矽粉末與燒結助劑混合均勻,置於金屬或者玻璃的套中,通過高壓的氣體加壓進行高溫燒結。熱等靜壓製備的氮化矽製品密度基本能達到理論密度,但是這種方法工藝複雜,成本較高,只適合特殊製品的製備,並不適合大規模的生產;

(6)重燒結(PS)

將反應燒結製備的氮化矽製品置於氮化矽粉末中再次在高溫下進行燒結,從而得到緻密的氮化矽製品的方法叫做重燒結。在燒結過程中需要加入燒結助劑,促進位品的緻密化。重燒結收縮率小,製備的部件性能優良,並且可製備複雜形狀的部件;

(7)閃速燃燒合成

閃速燃燒合成是近年來新發展起來的製備氮化矽、氮化矽鐵及氮化鋁等非氧化物材料的新工藝,利用固體或者液體的原料顆粒發生的放熱燃燒反應,維持反應區的反應溫度,使得反應持續進行的一種材料的合成方式。原料在氣體中發生反應,其顆粒小,比表面積大,反應顆粒和氣體充分接觸反應,反應迅速。並且在氣體中一邊反應,一邊下降,直接堆積成型,利用餘熱燒結得到陶瓷製品。

這種方法不需要很高的氮氣壓力,設備和工藝簡單,生產一旦開始,不需要消耗能量,連續生產不停歇,能夠低成本的合成氮化矽或者氮化矽鐵製品,是一種很有前途的燃燒合成方法。

以上的多種方法,除了反應燒結和閃速燃燒合成兩種方法外,其他的製備方式都是以純的α-Si3N4粉末為原料,與燒結助劑等混料壓坯,通過燒結助劑形成的部分熔融相來進行緻密化燒結。

相關焦點

  • 氮化矽的性能及其在耐火材料工業中的應用
    最近三十年間,氮化矽陶瓷的犮展迅速,在其基礎結構,相關粉末製備,製品燒結等方面進行了大量的研究,取得了矚目的成績。氮化矽陶瓷具有良好的綜合性能,具有廣闊的應用前景,長期以來,材料工作者一直致力於幵發氮化桂陶瓷的優異性能,不斷的開拓其應用領域。隨著新技術的發展和理論的不斷深入,氮化矽陶瓷作為一種性能優異的工程材料,必將得到更加迅速的發展和廣泛的應用。
  • 氮化物結合碳化矽耐火材料的種類及製備方法
    氮化物是在工程陶瓷中研究得比較多的一類非氧化物材料。在這類材料中應用得比較多的有Si3N4、BN、TiN等,它們都是共價鍵化合物或離子鍵化合物,具有鍵強大,硬度大、熔點高、化學性質穩定,耐化學腐蝕等特點。與傳統的氧化物陶瓷相比,氮化物陶瓷還具有比較高的韌性。在耐火材料中,目前氮化物的應用主要限於作為結合相與添加劑。
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    1.氮化矽鐵剛玉複合耐火材料的製備:根據原料配比配料,在混料機中混煉30min,壓製成型。採用了兩種不同的熱處理方法,200℃低溫烘乾、1450℃埋炭燒成對試樣進行處理。氮化矽鐵剛玉複合耐火材料的製備與性能將試樣按兩種熱處理方法分為兩組,氮化矽鐵含量為0%、4%、8%、12%、16%、20%的試樣,將200℃烘乾試樣依次標記命名,將1450℃埋碳燒成試樣同樣依次對應命名,分別測試兩種不同工藝試樣的顯氣孔率
  • 常見的幾種碳化矽耐火材料的結合方式和應用
    以不同的結合相將碳化矽結合在一起即製成不同種類的碳化矽耐火材料。常見的結合形式有:粘土結合、氧化物結合、莫來石結合、氮化矽(Si3N4)結合、重結晶(R-SiC)和反應燒結滲矽等。碳化矽質耐火材料的性質取決於結合相。
  • 耐火材料常用的非氧化物及澆注料案例
    相比於傳統的氧化物結合耐火材料,金屬或金屬氮化物結合材料的性能更加優異。但由於其對工藝要求較高,阻礙了其在耐火材料中的廣泛使用,一般用於高級耐火材料中和特殊功能性元件中。氮化矽呈灰色、白色或灰白色,六方晶系、密度大、硬度高、耐壓強度大。氮化矽具有良好的高溫穩定性,通常在常壓下1900℃分解。其彈性模量為28420~46060MPa,熱導率為16.7W/(mK),熱膨脹係數為2.75×10-6/℃(20~1000℃),具有優良的抗熱震性和較大的高溫強度。1300~1400℃C時,氮化矽在空氣中開始發生氧化。
  • 與傳統燒結方法相比,氮化矽陶瓷微波燒結的優勢在哪?
    氮化矽陶瓷的傳統燒結工藝有反應燒結、熱壓燒結、常壓燒結和氣壓燒結,近年來,出現了微波燒結等新型燒結方法。利用微波能對被燒材料進行整體加熱是其最大特點,由於是整體加熱,材料受熱均勻、溫度梯度小,這樣燒成的材料性質均勻,晶粒細小,緻密性好。另外,微波燒結還有升溫速度快、高效節能等特點,可以實現傳統燒結方法無法實現的結構和性能。
  • 氮化矽鐵在耐火材料上的應用及影響其合成的重要因素
    ,而較粗的矽鐵粉易於形成球狀氮化矽團聚體。 圖3氮化矽鐵XRD物相分析圖 氮化矽鐵在耐火材料中的應用 Al₂O₃-SiC-C系耐火材料 氮化矽鐵在Al₂O₃-SiC-C質炮泥、鐵鉤料和耐火磚中均有廣泛應用。
  • 我國氮化矽陶瓷軸承球原料短缺
    氮化矽陶瓷軸承球的原材料主要為氮化矽陶瓷。總體上看,我國氮化矽陶瓷材料的供應比較短缺。    氮化矽陶瓷是一種燒結時不收縮的無機材料。它是用矽粉作原料,先用通常成型的方法做成所需的形狀,在氮氣中及1200℃的高溫下進行初步氮化,使其中一部分矽粉與氮反應生成氮化矽,這時整個坯體已經具有一定的強度。然後在1350℃-1450℃的高溫爐中進行第二次氮化,反應成氮化矽。
  • 純鐵與氮化矽體系耐火材料在氧化氣氛下的高溫穩定性
    1.氮化矽的氧化:純鐵與氮化矽體系耐火材料在不同溫度及氧分壓條件下穩定存在的凝聚相以及它們的穩定範圍。在Si-N-O系中有實際意義的凝聚相有Si、Si3N4、Si2N2O和SiO2。3.鐵與氮化矽之間的反應:儘管鐵與氮化矽在高溫氧化條件下都容易氧化,即使兩者都穩定存在的氧分壓下,也會部分反應發生,因此鐵與氮化矽體系耐火材料經高溫處理後鐵可能的存在形式有Fe3Si、Fe5Si3、FeSi及未反應完全的鐵等;Fe3Si與Si3N4的高溫穩定性較高,所以,經高溫處理後的Fe-SiN4體系材料中的鐵應是以Fe3Si為主的相對於氮化矽而言,鐵在低溫狀態下的氧化比較容易進行
  • 鐵-氮化矽耐火材料高溫氧化氛圍下穩定性分析
    鐵-氮化矽耐火材料氧化氛圍下的穩定性相比之下,鐵-氮化矽體系耐火材料的變化就很明顯,大約從300℃即開始增重,而且平穩增長,未出現大的峰值。氮化矽-純鐵體系耐火材料在1300℃形成較大量的SiO2,說明1100~1300℃對於氮化矽來講是比較容易氧化的溫度。同時,氮化矽和鐵已經進行了反應,出現氮化矽同鐵的反應在1127℃的放熱峰也是相吻合的。試樣經1500℃熱處理後出現了Si2N2O,高溫空氣條件下該體系耐火材料中還是可能含有Fe5Si3及FeSi的。
  • 氮化矽鐵的性能及製備方法
    氮化矽鐵由於具有良好的高溫性能、抗侵蝕、耐磨性和燒結性,較高的熱導率,較小的熱膨脹係數等優點,除了在高爐炮泥中廣泛使用外,還在含碳耐火材料、高溫結構材料、鎂質澆注料等耐火材料中有廣闊的應用前景。本文中,就氮化矽鐵的性能、製備及在耐火材料中的應用等方面的研究進展進行了系統地介紹,為Fe-Si3N4的研究和應用提供一些參考。
  • 耐火材料常用術語解釋及中英文對照
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    適合耐火材料檢測的種類有很多,目前已知適合檢測的耐火材料包括耐火原料、緻密定形耐火製品、耐火纖維製品、定形隔熱耐火製品、特種耐火材料、不定形耐火材料、碳素材料、絕熱材料、防火材料等等共計147個品種,常見的五大類耐火材料產品主要有:1、耐火磚檢測種類:高鋁質耐火磚、 矽質耐火磚、 粘土質耐火磚2、耐火泥檢測種類: 粘土質耐火泥、 高鋁質耐火泥、 矽質耐火泥、
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    本次抽查依據GB/T 2608-2012《矽磚》、GB/T 2988-2012《高鋁磚》、YB/T 5106-2009《黏土質耐火磚》、GB/T 2275-2007《鎂磚及鎂鋁磚》、GB/T 22589-2008《鎂碳磚》等及《2016年第2批耐火材料產品質量河南省監督抽查實施方案》,對耐火材料產品的化學成分、體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度等項目進行了檢驗。
  • 碳化矽的合成、用途及製品製造工藝
    它的主要用途有三個方面:用於製造磨料磨具;用於製造電阻發熱元件———矽碳棒、矽碳管等;用於製造耐火材料製品。50年代末,選擇用氮化矽(Si3N4)結合,作為碳化矽耐火材料的改進產品,確實具有很好的抗氧化性(見圖1),且無顯著的膨脹現象。但是價格較貴;加之在反覆加熱冷卻時有突然破壞的可能;而氮化矽本身的網絡結構帶有滲透性,不能從根本上保護碳化矽不被氧化。
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    耐火陶瓷纖維澆注料 casrable ceramic fibre                  castable refractory fibre含無機和(或)有機結合劑的以耐火陶瓷纖維為主要原料的澆注料。澆灌或泵送 具有足夠流動性的 不定形耐火材料的施工方法。
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    氮化矽鐵是以Si3N4為主要成分,伴隨游離鐵,未氮化矽鐵及少量其他成分的混合物,耐火材料用氮化矽鐵是一種灰白色(或茶褐色)的 粉末狀物,煉鐵用氮化矽鐵是灰白色粒狀物。1、氮化矽鐵的分類氮化矽鐵按用途可分為兩類:耐火材料用氮化矽鐵和煉鋼用氮化矽鐵。
  • 其在耐火材料中怎麼應用?
    由於測定方法及被測試樣氣孔率、氣孔形狀不同,所以文獻中數值不完全一致。通常SiC含量越高,溫度越低,導熱係數越大。低熱膨脹係數和高導熱係數可使SiC質耐火材料具有良好的熱震穩定性。SiC質耐火材料是指以工業SiC為原料經燒制而成的一種以SiC為主成分的高級耐火材料,亦叫SiC製品。SiC製品可按SiC含量、結合劑種類和加入量來分類,材料的性能很大程度上取決於材料中SiC顆粒間的結合狀況,故通常按結合相種類對SiC製品進行分類。根據結合相的不同,SiC製品可分為:氧化物結合SiC、氮化物結合SiC、自結合SiC、滲矽反應燒結SiC等。
  • 上矽所:高導熱氮化矽陶瓷研究取得一系列進展
    近年來,電子電力器件朝大功率、高密度、集成化等方向發展,對器件中陶瓷散熱基板提出更高要求。目前,常用的氧化鋁基板熱導率低、氮化鋁基板可靠性差,限制其在高端功率半導體器件中的應用。氮化矽陶瓷基板具有高強度、高韌性、高絕緣、高熱導率、高可靠性及與晶片匹配的熱膨脹係數等優點,是一種具有綜合性能的基板材料,應用前景廣闊。