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行業(yè)動態(tài)-Sialon塞隆陶瓷的介紹（氮化硅和氧化鋁的結晶之作）

作者：超級管理員時間：2022-10-13 23:03:20 閱讀：4005

與大多數(shù)金屬，聚合物和復合材料相比，特種陶瓷具有更出色的高溫熱機械性能，比如說氮化硅，就被譽為是“綜合性能最好的結構陶瓷”，但材料學家依舊有本事將它再玩出花樣，比如說賽隆陶瓷Sialon就是這樣一個例子。

賽隆（sialon）是由Si、Al、O、N四種元素的合成詞，音譯為“賽隆”。賽隆陶瓷是Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總稱，是在Si3N4 陶瓷基礎上開發(fā)出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置換Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成。賽隆陶瓷由日本的Oyama和Kamigaito（1971年）及英國的Jack和Wilson（1972年）發(fā)現(xiàn)，他們在對氮化硅陶瓷各種添加劑的研究中發(fā)現(xiàn)了金屬氮化物中的固溶體，即在SiO2-Al2O3系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了Si3N4的固溶體，這能有效地促進燒結，從而發(fā)現(xiàn)了這種新的無機非金屬材料——sialon（賽?。?。賽隆陶瓷的主要類別有β’-sialon、α’-sialon、O’-sialon三種，尤其以前兩種最為常見。

一、賽隆陶瓷的性能

由于賽隆陶瓷綜合了Si3N4優(yōu)異的物理、力學性能和Al2O3優(yōu)異的化學性能，有可能減少或消除熔點不高的玻璃態(tài)晶界，而以具有優(yōu)良性能的固溶體形態(tài)存在，因此其具有諸多的優(yōu)良性能：其硬度、耐磨性、耐蝕性、強度和韌性高、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性和抗氧化性好，抗氧化性與SiC的相當。常溫強度和高溫抗氧化性均優(yōu)于Si3N4，但高溫強度不及Si3N4，賽隆陶瓷還具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好等特點，表1列舉部分賽隆陶瓷的主要性能。

表1.賽隆陶瓷的主要性能

二、賽隆陶瓷的結構類型與特征

賽隆陶瓷根據(jù)結構和組分的不同，可分為三種類型：α’-賽隆、β’-賽隆、Ο’-賽隆及混合型賽隆。

1.β’-賽隆：擁有與β’-Si3N4相同的結構，具有較高的斷裂韌性。1981年時由英國盧卡斯·庫克森賽隆公司投放市場，美國肯納金屬、瑞典山特維克、日本東芝坦葛落依等公司相繼推出這種陶瓷產(chǎn)品。

2.α’-賽隆：擁有與α’- Si3N4相同的結構，具有更高的硬度。日本品川白練瓦公司受日本新技術廳開發(fā)事業(yè)團的委托，用了兩年時間對科學技術廳無機材料研究所的研究成果“賽隆燒結體加工法”進行了實用化研究，成功開發(fā)了α’-賽隆的制造方法，并將其產(chǎn)品投放市場。隨后日本東芝坦葛洛依公司也推出了自己的α’-賽隆產(chǎn)品。α型賽隆是在氮化硅晶格間滲有微量金屬原子的固溶體，不但耐熱性好（1800~1900℃），而且硬度、強度高，由于選用了金屬原子，因此還具有導電性。

3.O’-賽?。?/span>與α’-和β’-賽隆一樣，是一種優(yōu)良的工程陶瓷，它同樣具有很低的熱膨脹系數(shù)和良好的抗熱震性，可在1350℃下抗氧化，因此可應用于各種工程領域。

表2 賽隆陶瓷和其他材料的性能對比

從上表可以看出：

①強度上，賽隆陶瓷的室溫強度盡管低于硬質(zhì)合金，但明顯高于氧化鋁陶瓷，它還擁有一個重要的特點，會隨著溫度的升高，其強度一般都能在1200℃保持不變，甚至某些賽隆陶瓷強度會隨著溫度的升高而提高，直至1400℃，由此賽隆陶瓷還具有“超強度材料”之稱。

②硬度上，賽隆陶瓷的室溫硬度并不是很高，但會隨著溫度的上升，其硬度的保持性明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金及其他陶瓷，以致在高于400℃時就已成為其中最硬的材料，并能保持到1000℃以上。

③耐磨性上，賽隆陶瓷在高溫下具有良好的硬度保持性，而材料的耐磨性主要取決于其硬度，因此它不僅在室溫下環(huán)境下耐磨，高溫下也是如此。

④抗蠕變性上，賽隆陶瓷在這一塊具有極好的表現(xiàn)，特別是高溫下使用產(chǎn)品時瞬時蠕變產(chǎn)生的變形對構件和工具極為有害，而賽隆的玻璃相通過熱處理轉(zhuǎn)化為結晶時抗蠕變性可以保持到1400℃。

⑤抗熱沖擊性上，賽隆陶瓷與其他材料最為顯著的差別之一就在熱膨脹系數(shù)上，這一特性配合以高的斷裂韌性使其具有優(yōu)良的耐熱沖擊性。

三、賽隆陶瓷的制備方法

在制備賽隆陶瓷時應選擇超細、高α相的Si3N4粉末，采用適當?shù)墓に嚧胧┛刂破渚Ы缦嗟慕M成和結構，才能獲得性能優(yōu)異的材料。由于賽隆陶瓷有很寬的固溶范圍，可通過調(diào)整固溶體的組分比例按預定性能對賽隆陶瓷進行組成設計，通過添加劑加入量的適當調(diào)節(jié)可以得到最佳α-sialon和β-sialon的比例，獲得最佳強度和硬度配合的材料。

從理論上講，賽隆陶瓷是單相固溶體，所加入的燒結助劑應進入晶格，在晶界上沒有玻璃相，具有優(yōu)異的高溫強度和抗蠕變性能。然而實際上不可能沒有玻璃相，所以賽隆比Si3N4易于燒結，在無壓力情況下，可燒結至理論密度，特別是x值較大時。綜合考慮使用性能和燒結性能，x的取值在0.4~1.0為宜。

賽隆陶瓷通常采用無壓燒結或熱壓燒結，在1600~1800℃的惰性氣氛中燒結，可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結體，主要的添加劑為MgO、Al2O3、AlN、SiO2等。同時，添加Y2O3、Al2O3能獲得強度很高的賽隆陶瓷。此外，加入Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結溫度。常壓燒結賽隆陶瓷的制造工藝是將Si3N4粉與適量的Al2O3粉及AlN粉共同混合，成型之后在1700℃的N2氣氛中燒結。固溶體的性質(zhì)隨其組成和處理溫度而異。

四、賽隆陶瓷的應用及發(fā)展前景

賽隆陶瓷作為一種性能優(yōu)異的新型高溫結構陶瓷，在軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)、機械工業(yè)和電子工業(yè)等方面都有廣闊的應用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨性能好，已在機械工業(yè)上用于制造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷及磨損件等。