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氮化硅陶瓷的生产方法和存在的问题

陈子玉 2019-01-30 4041 91

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氮化硅陶瓷因其优良的性质,如耐高温、耐摩擦、低密度,而被应用到各个领域。本文重点分析了我国先进结构陶瓷现状和氮化硅陶瓷生产工艺。

  摘要:氮化硅陶瓷因其优良的性质,如耐高温、耐摩擦、低密度,而被应用到各个领域。本文重点分析了我国先进结构陶瓷现状和氮化硅陶瓷生产工艺。

  先进陶瓷是随着我国现代化工业技术的发展出现的各种新型陶瓷的总称。按照先进陶瓷的材质可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷和硅化物陶瓷。其中氮化物陶瓷主要分为氮化硅、氮化铝和氮化硼。三十年来,我国先进结构陶瓷技术在研发和产业方面都取得了一定的进展,为我国工业化和现代化进程提供了有力的保障。

  六种氮化硅陶瓷制备方法各有优点,四种方法适合工业化生产

  反应烧结是指陶瓷原料成形体在一定温度下通过固相、液相和气相三相相互之间发生化学反应,同时进行致密化和规定组分的合成,得到预定的烧结体。主要步骤是将硅粉或硅粉和氮化硅粉的混合物压制成的结构,在1200℃的氮化炉中预氮化,在预氮化之后,结构有了一定强度,对其进行精加工,得到想要的零件,然后,在高于硅熔点的温度(1400℃以上)再次烧结,得到的产品尺寸变化不大。

  热压烧结是指将干燥粉料充填入模型内,再从单轴方向加压加热,使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。主要步骤是将氮化硅粉体和助剂混合,在1600 ℃以上的温度进行烧结。在烧结的过程中,从单轴方向同时加热加压,使产品成型和烧结同步进行。

  无压烧结即为常压烧结,是一种常规的烧结方法。是指在常压条件下,对产品用加热的烧结方法。主要步骤是在常压条件下,α相氮化硅粉末和适量的助剂混合进行液相烧结,在烧结的过程中,α相氮化硅转化成β相的氮化硅。为防止氮化硅在高温下分解,在整个烧结的过程中,需要通入氮气进行保护。

  气压烧结的主要方法是通过氮气,将氮气压力控制在一定范围内(1-10MPa),温度2000℃左右,烧结氮化硅陶瓷素胚的过程。

  表1 氮化硅陶瓷制备方法优缺点

  (资料来源:中国知网)

  在众多氮化硅陶瓷的生产方法中,常压烧结、反应烧结、热压烧结、气压烧结,这四类方法其工艺成熟,设备相对廉价,适用于工业化生产。

  国内先进陶瓷产业面临的主要问题

  (1)优质的陶瓷粉末原料企业匮乏

  国内生产先进结构陶瓷粉末企业较多,然而,生产优质氮化硅陶瓷粉末的企业匮乏。江西赛瓷公司生产的高性能纳米氧化锆应用在光纤连接器陶瓷插芯,打破日本公司在这领域的垄断;潮州三环生产的氧化锆粉末,用于小米,OPPO手机的背板,能经受住从一米的高度跌落而没有任何破裂;山东国瓷和广东华旺生产的纳米氧化锆成功应用于高端生物的齿科材料,并且走向国际市场。然而,高品质的氮化硅陶瓷,还是依赖于国外进口,例如用于制作高强度轴承的氮化硅陶瓷粉末主要是从日本宇部公司和瑞典公司进口。

  (2)生产技术和装备相对落后

  我国先进结构陶瓷技术和装备经过几十年的发展,已经有了很大的提升,但是国产装备的性能及可靠性和国际水平仍然存在一定的差距。由于结构陶瓷生产的工艺装备,包括粉体处理装置、各种成型设备、不同类型高温烧结炉、精密研磨加工设备,大多不是市场上通用机械装备;国内自主研发的这些专用设备的性能和可靠性与进口的设备相比较均有差距,主要体现在设备的精度。

  (3)企业的技术创新及工程化能力较弱

  我国对先进结构陶瓷研发,生产的时间较短,相关专业技术人员普遍缺乏,并且研发力量明显不足。目前,我国生产先进陶瓷的企业虽然很多,但是集中在中小企业,研发力量比较弱,特别是十年以上研发和生产经验的陶瓷工艺工程师一人难求。国内通过产学研相结合的方式,期望将学校和科研机构的研发成果快速转化,并推向市场,然而,受到专业人员和关键设备的限制,要实现快速的产业化和规模化存在一定的困难。

  结语

  目前,我国先进陶瓷生产技术和装备仍然不成熟,与发达国家相比还是存在一定的差距,尤其是氮化硅陶瓷领域,还有很长的一段路要走。氮化硅陶瓷的生产方法有六种,其中四类得益于其相对廉价的设备、成熟的技术,已经应用于工业化生产。

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