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3-12-2017

氮化硅陶瓷的应用领域

氮化硅的详细性能指标如下:


1、耐热,在常压下,Si3N4没有熔点,于1870℃左右直接分解,可耐氧化到1400℃,实际使用达1200℃(超过1200℃力学强度会下降)。


2、热膨胀系数小(2.8-3.2)×10-6/℃,导热系数高,抗热震,从室温到1000℃热冲击不会开裂。


3、摩擦系数小(0.1),有自润滑性,(加油的金属表面摩擦系数0.1-0.2)。


4、化学性质稳定,耐腐蚀,除氢氟酸外不与其他其他无机酸反应,800℃干燥气氛下不与氧发生反应,超过800℃,开始在在表面生成氧化硅膜,随着温度升高氧化硅膜逐渐变稳定,1000℃左右可与氧生成致密氧化硅膜。可保持至1400℃基本稳定。


5、氮化硅硬度高,耐磨损,莫氏硬度仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅,抗机械冲击。


6、氮化硅是共价键化合物,很难致密,有时需外加助剂,密度约为3.4(不同成型方法致密度不一样,热压成型致密度较高,钢的密度约为7.85,钛合金的密度约为4.5左右,单位均为g/cm3)。


7、脆性大,可采用氮化硅纤维增韧,使其高温强度稳定。


氮化硅的应用领域


1、航天军工领域


航空制造是制造业中高新技术较集中的领域,属于先进制造技术,是新材料、新工艺和新技术的行业。以飞机的涡轮发动机为例,阐述航空制造中氮化硅的应用。

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飞机涡流发动机


以飞机的涡轮喷气发动机为例,压气机零部件温度在650℃以下,目前主要采用钛合金、铝合金及耐热钢。燃烧室燃烧区温度高达1800-2000℃,引入气流冷却后,燃烧室壁温仍然在900℃以上,常用高温合金(镍基及钴基合金)板材制造,为防止燃气冲刷、热腐蚀和隔热,常喷涂防护层,现采用弥散强化合金无需涂层可制备耐1200℃的燃烧室。


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机构陶瓷氮化硅耐热,可在1400℃时仍然有高的强度、刚度(但超过1200℃时力学强度会下降),但比较脆,使用连续纤维增强的增强陶瓷可应用于涡轮部件,特别是小发动机的陶瓷叶片,涡轮外环和空气轴承。此外,氮化硅陶瓷密度小,密度仅为钢轴承的41%,可有效降低飞机发动机重量,减低油耗。


2、机械工程领域


氮化硅陶瓷摩擦系数小,有自润滑性,强度高,热膨胀系数小,体积受温度变化小,有效防止球/密封环卡死,可制成轴承滚珠及机械密封环。


氮化硅强度大,可用于轴承制造,可承受严酷的工作环境,工作寿命也高于一般轴承,但制作成本也比较高。

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传统的阀门是金属材料,由于受金属材料自身限制,金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性、可靠性、使用寿命具有相当大的影响;一些应用于石油工业的金属阀门易受到化学腐蚀,失去工作能力。而氮化硅陶瓷的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温性,能够胜任这一领域。


氮化硅具有耐磨,耐热性,用作蒸汽喷嘴,在800℃的锅炉工作半年后无明显损坏。其他耐热蚀合金喷嘴在同样条件下只能使用1-2个月。


另外氮化硅材料制作的粉碎刀片在食品加工也广泛应用,可很大限度的减少杂质污染食品,刀片耐用性也比较好。


3、超细研磨领域


氮化硅硬度高,硬度仅次于金刚石,立方氮化硼。因其消耗低,降低了研磨介质的磨损及对研磨材料的污染,有利于获取高纯度的细粉体。

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氮化硅研磨球



4、汽车内燃机材质


目前汽车内燃机耐热部位制造材料为镍基耐热材料,工作温度在1000℃左右。若采用陶瓷材料,则可以将工作温度提高到1300℃,使发动机效率提高30%左右。陶瓷具有较高的高温强度和热传导性,可延长发动机的使用寿命。

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汽车内燃机图示


目前内燃机使用的陶瓷材料有:氧化物基陶瓷、碳化物基陶瓷及氮化物基陶瓷(氮化硅),阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题,将会给人类社会的发展提供推动力。


5、柴油机电热塞(预热塞)


在严寒时期柴油发动机冷却时,电热塞为提升启动性能提供热能。同时,要求电热塞具有快速升温和持久保持高温状态的特性。

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氮化硅电热塞


氮化硅陶瓷电热塞升温至1000℃时间(2s)比金属电热塞(3s)快,氮化硅工作温度(约1200℃)比金属电热塞工作温度(约1000℃)高。


除此之外氮化硅还可以做发热体,广泛应用于直热及贮水式、节能快热式电热水器,快热式液体加热、电暖、冷热饮机、空调加热器,直热水龙头、恒温器、蒸气发生器等家用、工业、商务用电热器行业。


6、冶金领域


利用氮化硅陶瓷材料的化学稳定性好及其较好的机械性能,氮化硅在冶金领域得到广泛的应用。氮化硅具有热氧稳定性,抗热氧化温度可达1400℃,使用温度达1200℃。在中性或者还原气氛中使用温度可达1800℃。此外氮化硅热膨胀性小,可用于急冷急热的工况环境。


7、高性能机床切削刀具


在现代化加工过程中,提高加工效率的有效方法是采用高速切削加工技术。氮化硅刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削,其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍氮化硅具有高耐磨性,它比硬质合金有更好的化学稳定性,可在高速条件下切削加工并持续较长时问,比用硬质合金刀具平均提高效率3倍以上。


它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”,提高零件加工表面质量。实现干式切削,对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。

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金属切削加工


陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料,在生产中有广泛的应用。在德国约70%铸件加工的工序是由陶瓷刀具完成的,日本陶瓷刀具的年消耗量占刀具总量的8%左右。因此,我国氮化硅陶瓷刀具发展空间。


8、高端手表


“永不磨损”的瑞士雷达表真系列(True Open Heart)的表壳采用氮化硅陶瓷,表镜采用蓝宝石。

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雷达表效果图


总而言之,氮化硅陶瓷是工业技术特别是尖端技术中不可缺少的材料。目前国内加工水平总体水平不高,因此氮化硅陶瓷有大的发展空间。