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陶瓷加工難怎么辦,整點(diǎn)氮化硼?
信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-12-23 16:20:17 | 瀏覽量:281175
隨著工程技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的先進(jìn)陶瓷材料因具有較高的力學(xué)、抗氧化、絕緣、導(dǎo)熱等優(yōu)秀性能被用于制成各種產(chǎn)品及零部件,但隨之而來(lái)的“加工難”也讓許多生產(chǎn)企業(yè)頭疼。之所以產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題,根本原因是先進(jìn)陶瓷具有較高的硬度而且脆性較大,因此可加工性能較差。但先進(jìn)…
隨著工程技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的先進(jìn)陶瓷材料因具有較高的力學(xué)、抗氧化、絕緣、導(dǎo)熱等優(yōu)秀性能被用于制成各種產(chǎn)品及零部件,但隨之而來(lái)的“加工難”也讓許多生產(chǎn)企業(yè)頭疼。
之所以產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題,根本原因是先進(jìn)陶瓷具有較高的硬度而且脆性較大,因此可加工性能較差。但先進(jìn)陶瓷具備那么多優(yōu)勢(shì),總不能因噎廢食,因此為了改善陶瓷材料的可加工性,就有了這種解決方式——向陶瓷材料中加入六方氮化硼相制備可加工復(fù)相陶瓷。
氮化硼(boron nitride,BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)組成一種重要的III.V族化合物,具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能,主有兩種晶型:立方氮化硼和六方氮化硼。
其中,六方氮化硼因有著類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù),也被稱為“白石墨”,質(zhì)軟,具有優(yōu)秀的熱導(dǎo)率和絕緣特性。以它制成的陶瓷制品由于硬度低(莫氏強(qiáng)度2),因此可進(jìn)行精度為1/100mm的機(jī)械加工——這就是向陶瓷材料中加入六方氮化硼可提高其加工性能的主要原因。
按照可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷中氮化硼的來(lái)源,可將氮化硼系復(fù)相陶瓷的制備方法分為直接混合法,前驅(qū)體化學(xué)預(yù)引入法,原位反應(yīng)合成法和前驅(qū)體浸漬熱解法。
①直接混合法是直接將氮化硼粉末與陶瓷粉末相混合制成復(fù)合粉末,經(jīng)成型工藝和經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷。由于這種方法引入的六方氮化硼粉末一般為微米級(jí)的粉末,采用這種方法制備的復(fù)合材料稱為微米級(jí)氮化硼系復(fù)相陶瓷。
②前驅(qū)體化學(xué)預(yù)引入法是先將氮化硼的前驅(qū)體與陶瓷粉末相混合,通過(guò)高溫?zé)峤夥磻?yīng)生成納米尺寸的氮化硼顆粒包覆在陶瓷顆粒表面,再將所得的復(fù)合粉末經(jīng)過(guò)成型工藝,再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備成氮化硼系復(fù)相陶瓷。由于采用該方法在陶瓷中引入的六方氮化硼為納米尺寸,所以制備出具有納米結(jié)構(gòu)的氮化硼系復(fù)相陶瓷。
③原位反應(yīng)合成法采用含硼元素的化合物與含氮元素的化合物相混合,在高溫下兩種化合物中的硼元素和氮元素發(fā)生反應(yīng)生成六方氮化硼,其他元素發(fā)生反應(yīng)生成另一種陶瓷組元。原位反應(yīng)法是通過(guò)化合物之間的反應(yīng)生成六方氮化硼和陶瓷材料最終通過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備氮化硼系復(fù)相陶瓷。
④前驅(qū)體浸漬熱解法是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種向陶瓷材料中引入六方氮化硼的新工藝,其基本工藝是先制備陶瓷坯體,將液態(tài)的前驅(qū)體或者前驅(qū)體溶液通過(guò)真空浸漬的方式引入陶瓷坯體,然后加熱使前驅(qū)體熱解轉(zhuǎn)變?yōu)榱降鸫嬖谟谔沾膳黧w中,然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備氮化硼系復(fù)相陶瓷。
需要氮化硼加入來(lái)改善加工性及韌性的,一般都是硬度較大的陶瓷材料,如SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2和AlN等。通過(guò)加入具有層狀結(jié)構(gòu)的h-BN作為彌散相,控制一定的組成及工藝,可使得高強(qiáng)度陶瓷獲得良好的可加工性能。
氧化鋁是一種非常受歡迎的陶瓷材料,由于硬度較高所以精細(xì)加工也是相對(duì)困難。為了改善氧化鋁陶瓷的可加工性能,向氧化鋁基體中加入h-BN制備出Al2O3/BN復(fù)相陶瓷,就可起到顯著效果。
此外將h-BN加入氧化鋁陶瓷中,還可增強(qiáng)其耐火性能。通常情況下氧化鋁陶瓷中會(huì)加入鱗片石墨等碳材料提高其抗熱震性能和抗渣性,但在鋼鐵精煉系統(tǒng)使用時(shí),會(huì)帶來(lái)諸如熱能損失、鋼水增碳和氧化嚴(yán)重等問(wèn)題。h-BN具有熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)低,機(jī)械加工性好等優(yōu)點(diǎn),尤其是對(duì)鋼水的不潤(rùn)濕性和耐熔蝕性,與氧化鋁復(fù)合制備的耐火材料具有更好的抗熱震性和抗氧化性,同時(shí)抗渣性相當(dāng)。
氧化鋯陶瓷是一種常見的先進(jìn)陶瓷,在硬度,斷裂韌性和耐腐蝕性方面均具有優(yōu)異的性能,但可加工性能較差。向氧化鋯基體中加入h-BN制備出ZrO?/BN復(fù)相陶瓷,從而可以顯著的改善氧化鋯陶瓷的可加工性能。
例如在牙科陶瓷領(lǐng)域,全燒結(jié)氧化鋯瓷塊的可加工性差,銑削工具磨損嚴(yán)重,研磨過(guò)程中易產(chǎn)生機(jī)械及熱誘導(dǎo)裂紋,生產(chǎn)精確復(fù)雜的修復(fù)體形態(tài)十分困難,加工過(guò)程中往往需先使用預(yù)燒結(jié)瓷塊形成預(yù)定形態(tài)后再進(jìn)行全燒結(jié)。由于預(yù)燒結(jié)坯體在燒結(jié)過(guò)程中有30%~40%的體積收縮,不可避免地產(chǎn)生形態(tài)變化,最終影響修復(fù)體精度,特別是跨度較長(zhǎng)的橋體這種改變將更為顯著。但若加入具有層狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料,如h-BN,就能較易被切割和鉆孔。
碳化硅陶瓷具有高的彈性模量和比剛度,不易變形,并且具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù),熱穩(wěn)定性高,是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。但是,由于碳化硅是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物,具有極高的硬度和顯著的脆性,精密加工難度大。
Yang等研究了原位復(fù)合工藝制備的SiC-BN復(fù)合材料的抗熱震性能。使用氮化硅,硼化物和碳為原料通過(guò)原位合成制備SiC-BN復(fù)合陶瓷。原位合成SiC-BN復(fù)合陶瓷的抗熱震性能是由經(jīng)過(guò)不同溫度差高達(dá)1100℃測(cè)量SiC-BN復(fù)合陶瓷經(jīng)過(guò)熱震實(shí)驗(yàn)后的強(qiáng)度保留率,并與單相SiC陶瓷的抗熱震性能進(jìn)行比較。單相SiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度在900℃以上迅速下降,而SiC-BN復(fù)合材料在1100℃表現(xiàn)出不變的彎曲強(qiáng)度,顯示SiC-BN復(fù)合陶瓷的抗熱震性能有很大改善。
氮化硅陶瓷集合了許多材料的優(yōu)良特性,包括高斷裂韌性、極高的抗彎強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù),具有出色的抗熱震性,它密度低,硬度高,還具有高耐磨性,但因?yàn)榫C合性能太強(qiáng)導(dǎo)致可加工性能較差。
Li等研究了通過(guò)放電等離子燒結(jié)工藝制備出可加工Si3N4-BN復(fù)相陶瓷,也能保持相當(dāng)高的抗彎強(qiáng)度,隨著六方氮化硼含量的增加,Si3N4/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度逐漸下降。對(duì)于給定氮化硼含量的條件下,化學(xué)反應(yīng)法制備的Si3N4/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度相對(duì)于粉末混合法制備的Si3N4/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度得到顯著的增強(qiáng)。其中氮化硼含量高達(dá)30vol%時(shí)的Si3N4-BN復(fù)相陶瓷都可以采用碳化鎢鉆削工具進(jìn)行機(jī)械加工。
氮化鋁陶瓷具有高的熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)良性能,是理想的半導(dǎo)體基片材料和大功率電子器件的封裝材料。與大多數(shù)陶瓷材料一樣,由于氮化鋁在燒結(jié)后難以機(jī)械加工的固有缺陷,很難制備出一些具有復(fù)雜形狀和小體積的氮化鋁陶瓷部件,很難滿足器件小型化趨勢(shì)下的應(yīng)用要求。
氮化鋁陶瓷基板
但加入h-BN后的復(fù)相陶瓷材料能夠提高其綜合性能,不僅具有出色的高溫耐蝕性、抗熱震性,以及低模量和能夠用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行精密機(jī)械加工,滿足復(fù)雜形狀構(gòu)件對(duì)材料成型的苛刻要求。除此之外,因h-BN具有出色的熱導(dǎo)率(雖不及氮化鋁,也能夠達(dá)到40-60W/m·K),所以當(dāng)?shù)X基體中引入適量的h-BN,可以較好地兼顧熱導(dǎo)性和可加工性。
總的來(lái)說(shuō),當(dāng)加工相h-BN顆粒均勻地分布在陶瓷基體中,就能使得復(fù)相陶瓷變得容易進(jìn)行機(jī)械加工。但是由于在陶瓷基體中加入一定量的h-BN相后,由于可加工h-BN相的力學(xué)性能較低,將h-BN相加入到陶瓷基體中將會(huì)降低氮化硼系復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能,所以可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能都是隨著h-BN相含量的增加而逐漸降低。
但同時(shí),由于h-BN材料具有較高的抗熱震性能和抗氧化性,所以也能使得可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷具有更好的抗熱震性能以及較高的抗高溫氧化性能,因此最終還是要視應(yīng)用的具體工況來(lái)確定是否應(yīng)制成復(fù)合陶瓷材料。
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