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非氧化物陶瓷为什么比氧化物陶瓷难烧结?

日期: 2018-10-12
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先进陶瓷通常指的是采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料,具有精确的化学组成,精密的制造加工技术和结构设计,并具有优异特性的陶瓷。根据使用特性一般分为结构陶瓷和功能陶瓷,也可以分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。


非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的不同之处



  • 非氧化物在自然界很少存在,需要人工来合成。而氧化物陶瓷的原料更易得,价格相对比较低廉。

  • 非氧化物标准生成自由焓△G,一般都大于相应氧化物标准生成自由焓△G。

  • 氧化物原子间的化学键主要是离子键,而非氧化物一般是键性很强的共价键。


些不同之处导致了非氧化物陶瓷比氧化物陶瓷难烧结。由于非氧化物标准生成自由焓△G更大,所以非氧化物陶瓷在原料的合成和陶瓷烧结时,易生成氧化物,因此必须在保护性气体(如N2、Ar等)中进行。而氧化物陶瓷的原料本身就是氧化物,所以不存在怕被氧化的问题,所以生产工艺相对简单。非氧化物的强共价键使得非氧化物陶瓷一般比氧化物难熔和难烧结。必须在极高温度(1500~2500℃)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品,有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度(>95%),所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。


非氧化物陶瓷烧结过程中的影响因素


我们以碳化硅为例,介绍非氧化物陶瓷烧结过程中存在的难点,这些问题会直接导致烧结结果的好坏。


脱胶温度对坯体气孔率的影响


脱胶工艺是影响烧结工艺的重要工艺过程,当坯体经80℃烘干后,坯体的气孔率为26.65%;随着脱胶温度的升高,素坯的气孔率增加,当温度升高到800℃ 时气孔率为30.23%,继续升高温度气孔率增加不明显。从节能的角度考虑,确定脱胶温度为800℃,该条件下获得的素坯具有较高的气孔率和渗硅通道,有利于促进硅和炭的充分反应。


非氧化物陶瓷为什么比氧化物陶瓷难烧结?

脱胶温度对坯体气孔率的影响


升温速率对碳化硅陶瓷金相组织的影响


当升温速率较快时,熔融硅浸渗过程与碳和熔融硅反应过程同时进行,碳和熔融硅发生反应产生体积膨胀从而导致部分通道被堵塞,使得坯体中存在部分残碳,并且使碳化硅大面积连接在一起,而游离硅为不连续的填充。


非氧化物陶瓷为什么比氧化物陶瓷难烧结?

在不同升温速率下制备的碳化硅陶瓷的金相组织图(a) 0.8℃/min;(b)1.0℃/min;(c)1.2℃/min;(d)1.4℃/min.


几种先进陶瓷性能比较


非氧化物陶瓷为什么比氧化物陶瓷难烧结?


虽然非氧化物陶瓷难烧结,但也是它的一大优点,因为非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起,因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力,并且能把这些性能的大部分保持到高温,这是氧化物陶瓷无法比拟的。上表中可以很直观地看出非氧化物陶瓷的性能优势,但是因为非氧化物陶瓷的烧结难度大,所以对烧结设备的要求也高,目前使用的设备还需要依赖从国外进口,而且烧结设备非常昂贵。国产设备一直都在发展中,希望未来在非氧化物陶瓷领域可以看到我们自己的高端烧结设备。



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