高溫結(jié)構(gòu)陶瓷(二）

　　一.簡介

　　高溫結(jié)構(gòu)陶瓷(high temperature structural ceramics)，用于某種裝置、或設(shè)備、或結(jié)構(gòu)物中，能在高溫條件下承受靜態(tài)或動態(tài)的機(jī)械負(fù)荷的陶瓷。具有高熔點(diǎn)，較高的高溫強(qiáng)度和較小的高溫蠕變性能，以及較好的耐熱震性、抗腐蝕、抗氧化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括高溫氧化物和高溫非氧化物(或稱難熔化合物)兩大類。金屬作為結(jié)構(gòu)材料，一直被廣泛使用。但是，由于金屬易受腐蝕，在高溫時不耐氧化，不適合在高溫時使用。高溫結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了金屬材料的弱點(diǎn)。

　　二.分類

　　1.氧化鋁陶瓷

　　氧化鋁陶瓷(人造剛玉)是一種很有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。它的熔點(diǎn)很高，可作耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。利用氧化鋁硬度大的優(yōu)點(diǎn)，可以制造在實(shí)驗(yàn)室中使用的剛玉磨球機(jī)，用來研磨比它硬度小的材料。用高純度的原料，使用先進(jìn)工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作高壓鈉燈的燈管。

　　2.氮化硅陶瓷

　　氮化硅陶瓷也是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，它是一種很硬物質(zhì)，密度小、本身具有潤滑性，并且耐磨損，除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)，抗腐蝕能力強(qiáng);高溫時也能抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、長時間性模具等機(jī)械構(gòu)件。

　　3.氮化硼陶瓷

　　氮化硼陶瓷，外觀與性狀:潤滑,易吸潮.氮化硼是白色、難溶、耐高溫的物質(zhì)。將B2O3與NH4Cl共熔，或?qū)钨|(zhì)硼在NH3中燃燒均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型結(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃?，石墨型氮化硼在高?1800℃)、高壓(800Mpa)下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷?。這種氮化硼中B-N鍵長(156pm)與金剛石在C-C鍵長(154pm)相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的很硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

　　3.碳化硼陶瓷

　　碳化硼材料具有質(zhì)量輕、高硬度、高耐磨損、高耐沖擊、吸收中子等性能，在高技術(shù)工業(yè)、核電技術(shù)、國防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　具體用于:

　　A.中子吸收和防輻射材料

　　B元素具有達(dá)到600barn的中子吸收截面，是核反應(yīng)堆中減速元件-控制棒或核反應(yīng)堆防輻射部件的主要選用材料。

　　B.復(fù)合裝甲材料

　　利用其輕質(zhì)、硬和高模量等特性，用作輕型防彈衣和防彈裝甲材料。采用碳化硼制作的防彈農(nóng)，比同型鋼質(zhì)防彈衣要輕50%以上。碳化硼同時還是陸上裝甲車輛、武裝直升機(jī)以及民航客機(jī)的重要防彈裝甲材料。如AH一64阿帕奇(AH一64 Apazhe)、眼鏡蛇(Super Cobra)、美洲豹(Super Puma)、黑鷹(Black Hawk)等直升機(jī)上都使剛了碳化硼裝甲。

　　C.半導(dǎo)體工業(yè)元件和熱電元件

　　碳化硼陶瓷具有半導(dǎo)體特性和較好的熱導(dǎo)性能，可用作高溫半導(dǎo)體元器件，也可以用作半導(dǎo)體工業(yè)中的氣體分布盤、聚焦環(huán)、微波或紅外窗口、DC插頭等。B4C與C結(jié)合可用作高溫?zé)犭娕荚?，使用溫度達(dá)到2300℃，同時也可用作抗輻射熱電元件。

　　D.機(jī)械密封部件

　　碳化硼的很硬特性和優(yōu)異耐磨性能，使它成為機(jī)械密封的重要材料。由于其成本相對較高，主要應(yīng)用在一些特別的機(jī)械密封場合。

　　E.噴嘴材料

　　碳化硼的很高硬度和優(yōu)異的耐磨性能，使它成為重要的噴嘴材料。碳化硼噴嘴具有壽命長、相對低成本、省時等優(yōu)點(diǎn)。碳化硼噴嘴的壽命是氧化鋁噴嘴的幾十倍，比WC和SiC噴嘴的壽命也要高許多倍。

　　三.技術(shù)指標(biāo)

　　1.氧化鋁陶瓷

　　以氧化鋁為主成分的陶瓷。根據(jù)主晶相的不同，可分為剛玉瓷、剛玉-莫來石瓷及莫來石瓷等。根據(jù)氧化鋁百分含量的不同又分為高純氧化鋁瓷、99瓷、95瓷、85瓷、75瓷等。瓷體的性能取決于組成與顯微結(jié)構(gòu)，隨Al2O3含量的減少，熔點(diǎn)降低。具有較低的熱膨脹、較高的熱導(dǎo)率及高的機(jī)械強(qiáng)度，因此具有高抗熱震性。燒結(jié)剛玉制品能抵抗NaOH、Na2O2、Na2CO3、金屬、爐渣、PbPO3等的侵蝕作用，常溫下能抵抗堿和氫氟酸作用。在高溫下，能被TiC、ZrC等還原，與水蒸氣長期作用也能起反應(yīng)。氧化鋁有多種變體，其中主要有α、γ型，除α-Al2O3外其他都是不穩(wěn)定晶型。氧化鋁陶瓷可作為特別的耐火材料，機(jī)械工業(yè)的耐磨零部件及刀具材料，用作電子工業(yè)及其他工業(yè)的絕緣體，β-Al2O3還可作鈉硫電池等。

　　A.含量為99%(質(zhì)量)的陶瓷，按主晶相分類為剛玉瓷。燒結(jié)溫度約1700℃±10℃，隨Al2O3含量增多燒結(jié)越來越難，一般須加入助燒劑。主要性能:密度為3.9g/cm3，抗彎強(qiáng)度為370~450MPa，熱膨脹系數(shù)6.7×10-6/℃(20~100℃)，介電強(qiáng)度25~30MV/m，體積電阻率1012~1013Ω·cm(100℃±5℃)，相對介電常數(shù)為10.0。常用來制作坩堝、瓷舟、耐火爐管等。

　　B.含量為95%(質(zhì)量)的氧化鋁陶瓷，主晶相為α-Al2O3，燒結(jié)溫度在1650℃±20℃左右。主要性能:相對介電常數(shù)8.5~9.6，介電強(qiáng)度為15~18MV/m，體積電阻率1010~1012Ω·m，抗彎強(qiáng)度為280~350MPa，密度約3.5g/cm3。作為裝置用陶瓷應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

　　2.氮化硅陶瓷

　　一種非氧化物陶瓷以四氮化三硅為主要成分。具有高強(qiáng)度、高彈性模量、耐磨、耐蝕、抗氧化等優(yōu)良性能。莫氏硬度9。Si3N4是共價鍵化合物，屬六方晶系，存在α型和β型兩種晶型。Si-N間的鍵合強(qiáng)度高，為難燒結(jié)物質(zhì)。氮化硅粉通常由硅粉氮化法獲得。采用反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、高溫高壓氮?dú)夥諢Y(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方法將氮化硅粉燒結(jié)制得。氮化硅陶瓷性能與其制備方法密切相關(guān)，一般室溫強(qiáng)度可達(dá)700~1000MPa，高溫強(qiáng)度受晶界玻璃相影響。氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能使其在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用并有許多潛在的用途。在陶瓷發(fā)動機(jī)中，用來制備定子、轉(zhuǎn)子、蝸形管等部件。在冶金、化學(xué)、機(jī)械、電子和軍事工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用。

　　3.氮化硼陶瓷

　　A.基本信息

　　英文名Boron Nitride

　　分子式BN 分子量24.81(按1979年國際原子量)

　　質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QJ/YH02·08-89)

　　氮化硼是由氮原子和硼原子構(gòu)成的晶體，該晶體結(jié)構(gòu)分為六方氮化硼(HBN)、密排六方氮化硼(WBN)和立方氮化硼，其中六方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)具有類似的石墨層狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)松散、潤滑、易吸潮、質(zhì)輕等性狀的白色粉末，所以又稱"白色石墨"。

　　B.物化性質(zhì)

　　理論密度2.27g/cm3，比重2.43，莫氏硬度為2。六方氮化硼是具有良好的電絕緣性，導(dǎo)熱性，化學(xué)穩(wěn)定性;無明顯熔點(diǎn)，在0.1MPA氮?dú)庵?000℃升華，在惰性氣體中熔點(diǎn)3000℃，在中性還原氣氛中，耐熱到2000℃，在氮?dú)夂蜌逯惺褂脺囟瓤蛇_(dá)2800℃，在氧氣氣氛中穩(wěn)定性較差，使用溫度1000℃以下。六方氮化硼的膨脹系數(shù)相當(dāng)于石英，但導(dǎo)熱率卻為石英的十倍。 六方氮化硼不溶冷水，水煮沸時水解很緩慢并產(chǎn)生少量的硼酸和氮;與弱酸和強(qiáng)堿在室溫下均不反應(yīng)，微溶于熱酸，用溶融的氫氧化鈉，氫氧化鉀處理才能分解。

　　C.氮化硼的技術(shù)指標(biāo)

　　1、規(guī)格99 ，BN≥99% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)≤2.0;

　　2、規(guī)格98 ，B N≥98% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)≤2.0。

　　D.氮化硼的各項(xiàng)性能參數(shù)

　　1.高耐熱性3000℃升華，其強(qiáng)度1800℃為室溫的2倍，1500℃空冷至室溫?cái)?shù) 十次不破裂，在惰性氣體中2800℃不軟化。

　　2.高導(dǎo)熱系數(shù)熱品為33W/M.K和純鐵一樣，在530℃以上是陶瓷材料中導(dǎo)熱比較大的材料。

　　3. 低熱膨脹系數(shù)2×10-6的膨脹系數(shù)次于石英玻璃，是陶瓷中較小的，加上其具有高導(dǎo)熱，所以抗熱震性能很好。

　　4.優(yōu)良的電性能高溫絕緣性好，25℃為1014Ω-CM，2000℃還可達(dá)到103Ω-CM，是陶瓷中比較好的高溫絕緣材料，擊穿電壓3KV/MM，低介電損耗108HZ時為2.5×10-4，介電常數(shù)為4，可透微波和紅外線。

　　5.良好的耐腐蝕性與一般金屬(鐵、銅、鋁、鉛等)、稀土金屬 ，貴重多屬，半導(dǎo)體材料(鍺、硅、砷化鉀)，玻璃，熔鹽(水晶石、氟化物、爐渣)、無機(jī)酸、堿不反應(yīng)。

　　6.低的摩擦系數(shù)u為0.16，高溫下不增大，比二硫化鉬，石墨耐溫高，氧化氣氛可用到900℃，真空下可用到2000℃。

　　7. 高純度含B高其雜質(zhì)含量小于10PPM，而含B大于43.6%。

　　8.可機(jī)械加工性其硬度為莫氏2，所以可用一般機(jī)械加工方法加工成精度很高的零部件制品。

　　E.六方氮化硼的用途

　　六方氮化硼可以用于制造TiB2/BN復(fù)合陶瓷，還可以用于耐火材料和很硬材料，水平連軋鋼的分離環(huán)，用于耐高溫潤滑劑和高溫涂料同時還是合成立方氮化硼的原料。具體用途:

　　1.金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤滑劑。

　　2. 高溫狀態(tài)的特別電解、電阻材料。

　　3.高溫固體潤滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場合，熱增強(qiáng)添加劑、耐高溫的絕緣材料。

　　4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹脂等聚合物的添加劑。

　　5.成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

　　6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

　　7.在觸媒參與下，經(jīng)高溫高壓處理可轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬如金剛石的立方氮化硼。

　　8.原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。

　　9.飛機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)的噴口。

　　10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

　　11.防止中子輻射的包裝材料。

　　12.由氮化硼加工制成的很硬材料，可制成高速切割工具和地質(zhì)勘探、石油鉆探的鉆頭。

　　13.冶金上用于連續(xù)鑄鋼的分離環(huán)，非晶態(tài)鐵的流槽口，連續(xù)鑄鋁的脫模劑(各種光學(xué)玻璃脫膜劑)

　　14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發(fā)舟。

　　15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

　　16.各種激光防偽鍍鋁、商標(biāo)燙金材料，各種煙標(biāo)，啤酒標(biāo)、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

　　17.化妝品用于口紅的填料，無毒又有潤滑性，又有光澤是法國比較好的口紅。

　　4.碳化硼陶瓷

　　分子式:CB4;分子量:55.25;CAS號:12069-32-8;性質(zhì):密度2.51。

　　又稱一碳化四硼(tetra-boron carbide)。有光澤的黑色晶體。工業(yè)品一般呈粉狀。密度2.520g/cm3。熔點(diǎn)2350℃。沸點(diǎn)>3500℃。溶于熔融堿。不溶于水和酸。硬度次于金剛石。由硼酸、人造石墨和石油焦混合物在電弧爐內(nèi)于1700~2300℃下進(jìn)行碳化反應(yīng)，經(jīng)冷卻后破碎，篩選，多次熱水洗滌，粗碎，酸洗，沉降分離，干燥，篩分制得。也可由元素硼和碳混合，在2200~2250℃下反應(yīng)制得。廣泛用于硬質(zhì)合金，作研磨材料，以及寶石材料的加工和金屬硼化合物的制取等。也用于原子反應(yīng)堆。