陶瓷加工難怎么辦，整點(diǎn)氮化硼？

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(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，但隨之而來的“加工難”也讓許多生產(chǎn)企業(yè)頭疼。

精密加工陶瓷件

之所以產(chǎn)生這個(gè)問題，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，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。

一、為什么選擇氮化硼？

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。

二、氮化硼復(fù)相陶瓷的制備工藝

按照可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷中氮化硼的來源，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的粉末，采用這種方法制備的復(fù)合材料稱為微米級氮化硼系復(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)過成型工藝，再經(jīng)過高溫?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)過高溫?zé)Y(jié)工藝制備氮化硼系復(fù)相陶瓷。

三、可選擇的基體

需要氮化硼加入來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)，會帶來諸如熱能損失、鋼水增碳和氧化嚴(yán)重等問題。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)，尤其是對鋼水的不潤濕性和耐熔蝕性，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)過不同溫度差高達(dá)1100℃測量SiC-BN復(fù)合陶瓷經(jīng)過熱震實(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。

四、總結(jié)

總的來說，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)用的具體工況來確定是否應(yīng)制成復(fù)合陶瓷材料。