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陶瓷加工不可缺少的原材料----氮化硼

2023-12-23 02:19:18

随着工程技术的发展,越来越多的先进陶瓷材料因具有较高的力学、抗氧化、绝缘、导热等优 秀性能被用于制成各种产品及零部件,但随之而来的“加工难”也让许多生产企业头疼。

                                          精密加工氮化硼陶瓷件

之所以产生这个问题,根本原因是先进陶瓷具有较高的硬度而且脆性较大,因此可加工性能较差。但先进陶瓷具备那么多优势,总不能因噎废食,因此为了改善陶瓷材料的可加工性,就有了这种解决方式——向陶瓷材料中加入六方氮化硼相制备可加工复相陶瓷。


 一、为什么选择氮化硼?

氮化硼(boron nitride,BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)组成一种重要的III.V族化合物,具有宽带隙、高热导率、抗氧化性等优异的物理化学性能,主有两种晶型:立方氮化硼和六方氮化硼。

其中,六方氮化硼因有着类似石墨的层状结构和晶格参数,也被称为“白石墨”,质软,具有优 秀的热导率和绝缘特性。以它制成的陶瓷制品由于硬度低(莫氏强度2),因此可进行精度为1/100mm的机械加工——这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、氮化硼复相陶瓷的制备工艺

按照可加工氮化硼系复相陶瓷中氮化硼的来源,可将氮化硼系复相陶瓷的制备方法分为直接混合法,前驱体化学预引入法,原位反应合成法和前驱体浸渍热解法。

直接混合法是直接将氮化硼粉末与陶瓷粉末相混合制成复合粉末,经成型工艺和经过高温烧结工艺制备可加工氮化硼系复相陶瓷。由于这种方法引入的六方氮化硼粉末一般为微米级的粉末,采用这种方法制备的复合材料称为微米级氮化硼系复相陶瓷。


前驱体化学预引入法是先将氮化硼的前驱体与陶瓷粉末相混合,通过高温热解反应生成纳米尺寸的氮化硼颗粒包覆在陶瓷颗粒表面,再将所得的复合粉末经过成型工艺,再经过高温烧结工艺制备成氮化硼系复相陶瓷。由于采用该方法在陶瓷中引入的六方氮化硼为纳米尺寸,所以制备出具有纳米结构的氮化硼系复相陶瓷。

原位反应合成法采用含硼元素的化合物与含氮元素的化合物相混合,在高温下两种化合物中的硼元素和氮元素发生反应生成六方氮化硼,其他元素发生反应生成另一种陶瓷组元。原位反应法是通过化合物之间的反应生成六方氮化硼和陶瓷材料最终通过高温烧结工艺制备氮化硼系复相陶瓷。

前驱体浸渍热解法是近几年来出现的一种向陶瓷材料中引入六方氮化硼的新工艺,其基本工艺是先制备陶瓷坯体,将液态的前驱体或者前驱体溶液通过真空浸渍的方式引入陶瓷坯体,然后加热使前驱体热解转变为六方氮化硼存在于陶瓷坯体中,然后经过高温烧结工艺制备氮化硼系复相陶瓷。

三、可选择的基体

需要氮化硼加入来改善加工性及韧性的,一般都是硬度较大的陶瓷材料,如SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2和AlN等。通过加入具有层状结构的h-BN作为弥散相,控制一定的组成及工艺,可使得高强度陶瓷获得良好的可加工性能。

四、总结

总的来说,当加工相h-BN颗粒均匀地分布在陶瓷基体中,就能使得复相陶瓷变得容易进行机械加工。但是由于在陶瓷基体中加入一定量的h-BN相后,由于可加工h-BN相的力学性能较低,将h-BN相加入到陶瓷基体中将会降低氮化硼系复相陶瓷的力学性能,所以可加工氮化硼系复相陶瓷的力学性能都是随着h-BN相含量的增加而逐渐降低。

但同时,由于h-BN材料具有较高的抗热震性能和抗氧化性,所以也能使得可加工氮化硼系复相陶瓷具有更好的抗热震性能以及较高的抗高温氧化性能,因此最终还是要视应用的具体工况来确定是否应制成复合陶瓷材料。


资料来源:

1、江涛,韩慢慢,付甲.可加工氮化硼系复相陶瓷的研究发展现状和发展趋势以及应用现状分析[J].现代技术陶瓷,2021,42(4):225-247. DOI:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2021.04.002.

2、北京工业大学.一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法:CN200710063448.8[P]. 2007-08-08.

3、梁峰,薛正良,赵雷等.六方氮化硼复合氧化铝耐火材料的性能研究[J].耐火材料,2014,48(06):401-405.

4、吴金双1,2,周磊1,邢鹤琳1,王喆3,董超芳3,杨瑟飞1.Al2O3-氮化硼纳米晶包覆的3%氧化钇稳定的四方氧化锆多晶复合陶瓷粉体的制备[J].华西口腔医学杂志,2017,(第5期).

5、分体圈整理

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