高溫結構陶瓷(二）

　　一.簡介

　　高溫結構陶瓷(high temperature structural ceramics)，用于某種裝置、或設備、或結構物中，能在高溫條件下承受靜態或動態的機械負荷的陶瓷。具有高熔點，較高的高溫強度和較小的高溫蠕變性能，以及較好的耐熱震性、抗腐蝕、抗氧化和結構穩定性等。高溫結構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。金屬作為結構材料，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。高溫結構材料的出現，彌補了金屬材料的弱點。

　　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構材料。它的熔點很高，可作耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。利用氧化鋁硬度大的優點，可以制造在實驗室中使用的剛玉磨球機，用來研磨比它硬度小的材料。用高純度的原料，使用先進工藝，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構材料，它是一種很硬物質，密度小、本身具有潤滑性，并且耐磨損，除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應，抗腐蝕能力強;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、汽輪機葉片、機械密封環、長時間性模具等機械構件。

　　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。將B2O3與NH4Cl共熔，或將單質硼在NH3中燃燒均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫(1800℃)、高壓(800Mpa)下可轉變為金剛型氮化硼。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

　　碳化硼材料具有質量輕、高硬度、高耐磨損、高耐沖擊、吸收中子等性能，在高技術工業、核電技術、國防軍工等領域具有廣闊的應用前景。

　　具體用于:

　　A.中子吸收和防輻射材料

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

　　B.復合裝甲材料

　　利用其輕質、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，比同型鋼質防彈衣要輕50%以上。碳化硼同時還是陸上裝甲車輛、武裝直升機以及民航客機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)等直升機上都使剛了碳化硼裝甲。

　　C.半導體工業元件和熱電元件

　　碳化硼陶瓷具有半導體特性和較好的熱導性能，可用作高溫半導體元器件，也可以用作半導體工業中的氣體分布盤、聚焦環、微波或紅外窗口、DC插頭等。B4C與C結合可用作高溫熱電偶元件，使用溫度達到2300℃，同時也可用作抗輻射熱電元件。

　　D.機械密封部件

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

　　E.噴嘴材料

　　碳化硼的很高硬度和優異的耐磨性能，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、省時等優點。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.技術指標

　　1.氧化鋁陶瓷

　　以氧化鋁為主成分的陶瓷。根據主晶相的不同，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構，隨Al2O3含量的減少，熔點降低。具有較低的熱膨脹、較高的熱導率及高的機械強度，因此具有高抗熱震性。燒結剛玉制品能抵抗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。氧化鋁有多種變體，其中主要有α、γ型，除α-Al2O3外其他都是不穩定晶型。氧化鋁陶瓷可作為特別的耐火材料，機械工業的耐磨零部件及刀具材料，用作電子工業及其他工業的絕緣體，β-Al2O3還可作鈉硫電池等。

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

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

　　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。具有高強度、高彈性模量、耐磨、耐蝕、抗氧化等優良性能。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間的鍵合強度高，為難燒結物質。氮化硅粉通常由硅粉氮化法獲得。采用反應燒結、熱壓燒結、高溫高壓氮氣氛燒結、熱等靜壓燒結等方法將氮化硅粉燒結制得。氮化硅陶瓷性能與其制備方法密切相關，一般室溫強度可達700~1000MPa，高溫強度受晶界玻璃相影響。氮化硅陶瓷的優異性能使其在許多領域得到應用并有許多潛在的用途。在陶瓷發動機中，用來制備定子、轉子、蝸形管等部件。在冶金、化學、機械、電子和軍事工業上也有廣泛的應用。

　　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)

　　質量標準企業標準(QJ/YH02·08-89)

　　氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體，該晶體結構分為六方氮化硼(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構具有類似的石墨層狀結構，呈現松散、潤滑、易吸潮、質輕等性狀的白色粉末，所以又稱"白色石墨"。

　　B.物化性質

　　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，導熱性，化學穩定性;無明顯熔點，在0.1MPA氮氣中3000℃升華，在惰性氣體中熔點3000℃，在中性還原氣氛中，耐熱到2000℃，在氮氣和氬中使用溫度可達2800℃，在氧氣氣氛中穩定性較差，使用溫度1000℃以下。六方氮化硼的膨脹系數相當于石英，但導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生少量的硼酸和氮;與弱酸和強堿在室溫下均不反應，微溶于熱酸，用溶融的氫氧化鈉，氫氧化鉀處理才能分解。

　　C.氮化硼的技術指標

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

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

　　D.氮化硼的各項性能參數

　　1.高耐熱性3000℃升華，其強度1800℃為室溫的2倍，1500℃空冷至室溫數 十次不破裂，在惰性氣體中2800℃不軟化。

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

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

　　4.優良的電性能高溫絕緣性好，25℃為1014Ω-CM，2000℃還可達到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，半導體材料(鍺、硅、砷化鉀)，玻璃，熔鹽(水晶石、氟化物、爐渣)、無機酸、堿不反應。

　　6.低的摩擦系數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高其雜質含量小于10PPM，而含B大于43.6%。

　　8.可機械加工性其硬度為莫氏2，所以可用一般機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，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，生產陶瓷復合材料的添加劑，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，經高溫高壓處理可轉化為堅硬如金剛石的立方氮化硼。

　　8.原子反應堆的結構材料。

　　9.飛機、火箭發動機的噴口。

　　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勘探、石油鉆探的鉆頭。

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

　　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舟。

　　15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

　　16.各種激光防偽鍍鋁、商標燙金材料，各種煙標，啤酒標、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:密度2.51。

　　又稱一碳化四硼(tetra-boron carbide)。有光澤的黑色晶體。工業品一般呈粉狀。密度2.520g/cm3。熔點2350℃。沸點>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于1700~2300℃下進行碳化反應，經冷卻后破碎，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℃下反應制得。廣泛用于硬質合金，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。也用于原子反應堆。