高温结构陶瓷(二）

　　一.简介

　　高温结构陶瓷(high temperature structural ceramics)，用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物(或称难熔化合物)两大类。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。

　　二.分类

　　1.氧化铝陶瓷

　　氧化铝陶瓷(人造刚玉)是一种很有前途的高温结构材料。它的熔点很高，可作耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。

　　2.氮化硅陶瓷

　　氮化硅陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种很硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强;高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、长时间性模具等机械构件。

　　3.氮化硼陶瓷

　　氮化硼陶瓷，外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温(1800℃)、高压(800Mpa)下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B-N键长(156pm)与金刚石在C-C键长(154pm)相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的很硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

　　3.碳化硼陶瓷

　　碳化硼材料具有质量轻、高硬度、高耐磨损、高耐冲击、吸收中子等性能，在高技术工业、核电技术、国防军工等领域具有广阔的应用前景。

　　具体用于:

　　A.中子吸收和防辐射材料

　　B元素具有达到600barn的中子吸收截面，是核反应堆中减速元件-控制棒或核反应堆防辐射部件的主要选用材料。

　　B.复合装甲材料

　　利用其轻质、硬和高模量等特性，用作轻型防弹衣和防弹装甲材料。采用碳化硼制作的防弹农，比同型钢质防弹衣要轻50%以上。碳化硼同时还是陆上装甲车辆、武装直升机以及民航客机的重要防弹装甲材料。如AH一64阿帕奇(AH一64 Apazhe)、眼镜蛇(Super Cobra)、美洲豹(Super Puma)、黑鹰(Black Hawk)等直升机上都使刚了碳化硼装甲。

　　C.半导体工业元件和热电元件

　　碳化硼陶瓷具有半导体特性和较好的热导性能，可用作高温半导体元器件，也可以用作半导体工业中的气体分布盘、聚焦环、微波或红外窗口、DC插头等。B4C与C结合可用作高温热电偶元件，使用温度达到2300℃，同时也可用作抗辐射热电元件。

　　D.机械密封部件

　　碳化硼的很硬特性和优异耐磨性能，使它成为机械密封的重要材料。由于其成本相对较高，主要应用在一些特别的机械密封场合。

　　E.喷嘴材料

　　碳化硼的很高硬度和优异的耐磨性能，使它成为重要的喷嘴材料。碳化硼喷嘴具有寿命长、相对低成本、省时等优点。碳化硼喷嘴的寿命是氧化铝喷嘴的几十倍，比WC和SiC喷嘴的寿命也要高许多倍。

　　三.技术指标

　　1.氧化铝陶瓷

　　以氧化铝为主成分的陶瓷。根据主晶相的不同，可分为刚玉瓷、刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷等。根据氧化铝百分含量的不同又分为高纯氧化铝瓷、99瓷、95瓷、85瓷、75瓷等。瓷体的性能取决于组成与显微结构，随Al2O3含量的减少，熔点降低。具有较低的热膨胀、较高的热导率及高的机械强度，因此具有高抗热震性。烧结刚玉制品能抵抗NaOH、Na2O2、Na2CO3、金属、炉渣、PbPO3等的侵蚀作用，常温下能抵抗碱和氢氟酸作用。在高温下，能被TiC、ZrC等还原，与水蒸气长期作用也能起反应。氧化铝有多种变体，其中主要有α、γ型，除α-Al2O3外其他都是不稳定晶型。氧化铝陶瓷可作为特别的耐火材料，机械工业的耐磨零部件及刀具材料，用作电子工业及其他工业的绝缘体，β-Al2O3还可作钠硫电池等。

　　A.含量为99%(质量)的陶瓷，按主晶相分类为刚玉瓷。烧结温度约1700℃±10℃，随Al2O3含量增多烧结越来越难，一般须加入助烧剂。主要性能:密度为3.9g/cm3，抗弯强度为370~450MPa，热膨胀系数6.7×10-6/℃(20~100℃)，介电强度25~30MV/m，体积电阻率1012~1013Ω·cm(100℃±5℃)，相对介电常数为10.0。常用来制作坩埚、瓷舟、耐火炉管等。

　　B.含量为95%(质量)的氧化铝陶瓷，主晶相为α-Al2O3，烧结温度在1650℃±20℃左右。主要性能:相对介电常数8.5~9.6，介电强度为15~18MV/m，体积电阻率1010~1012Ω·m，抗弯强度为280~350MPa，密度约3.5g/cm3。作为装置用陶瓷应用相当广泛。

　　2.氮化硅陶瓷

　　一种非氧化物陶瓷以四氮化三硅为主要成分。具有高强度、高弹性模量、耐磨、耐蚀、抗氧化等优良性能。莫氏硬度9。Si3N4是共价键化合物，属六方晶系，存在α型和β型两种晶型。Si-N间的键合强度高，为难烧结物质。氮化硅粉通常由硅粉氮化法获得。采用反应烧结、热压烧结、高温高压氮气氛烧结、热等静压烧结等方法将氮化硅粉烧结制得。氮化硅陶瓷性能与其制备方法密切相关，一般室温强度可达700~1000MPa，高温强度受晶界玻璃相影响。氮化硅陶瓷的优异性能使其在许多领域得到应用并有许多潜在的用途。在陶瓷发动机中，用来制备定子、转子、蜗形管等部件。在冶金、化学、机械、电子和军事工业上也有广泛的应用。

　　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年国际原子量)

　　质量标准企业标准(QJ/YH02·08-89)

　　氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体，该晶体结构分为六方氮化硼(HBN)、密排六方氮化硼(WBN)和立方氮化硼，其中六方氮化硼的晶体结构具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润滑、易吸潮、质轻等性状的白色粉末，所以又称"白色石墨"。

　　B.物化性质

　　理论密度2.27g/cm3，比重2.43，莫氏硬度为2。六方氮化硼是具有良好的电绝缘性，导热性，化学稳定性;无明显熔点，在0.1MPA氮气中3000℃升华，在惰性气体中熔点3000℃，在中性还原气氛中，耐热到2000℃，在氮气和氩中使用温度可达2800℃，在氧气气氛中稳定性较差，使用温度1000℃以下。六方氮化硼的膨胀系数相当于石英，但导热率却为石英的十倍。 六方氮化硼不溶冷水，水煮沸时水解很缓慢并产生少量的硼酸和氮;与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用溶融的氢氧化钠，氢氧化钾处理才能分解。

　　C.氮化硼的技术指标

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

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

　　D.氮化硼的各项性能参数

　　1.高耐热性3000℃升华，其强度1800℃为室温的2倍，1500℃空冷至室温数 十次不破裂，在惰性气体中2800℃不软化。

　　2.高导热系数热品为33W/M.K和纯铁一样，在530℃以上是陶瓷材料中导热比较大的材料。

　　3. 低热膨胀系数2×10-6的膨胀系数次于石英玻璃，是陶瓷中较小的，加上其具有高导热，所以抗热震性能很好。

　　4.优良的电性能高温绝缘性好，25℃为1014Ω-CM，2000℃还可达到103Ω-CM，是陶瓷中比较好的高温绝缘材料，击穿电压3KV/MM，低介电损耗108HZ时为2.5×10-4，介电常数为4，可透微波和红外线。

　　5.良好的耐腐蚀性与一般金属(铁、铜、铝、铅等)、稀土金属 ，贵重多属，半导体材料(锗、硅、砷化钾)，玻璃，熔盐(水晶石、氟化物、炉渣)、无机酸、碱不反应。

　　6.低的摩擦系数u为0.16，高温下不增大，比二硫化钼，石墨耐温高，氧化气氛可用到900℃，真空下可用到2000℃。

　　7. 高纯度含B高其杂质含量小于10PPM，而含B大于43.6%。

　　8.可机械加工性其硬度为莫氏2，所以可用一般机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复合陶瓷，还可以用于耐火材料和很硬材料，水平连轧钢的分离环，用于耐高温润滑剂和高温涂料同时还是合成立方氮化硼的原料。具体用途:

　　1.金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂。

　　2. 高温状态的特别电解、电阻材料。

　　3.高温固体润滑剂，挤压抗磨添加剂，生产陶瓷复合材料的添加剂，耐火材料和抗氧化添加剂，尤其抗熔融金属腐蚀的场合，热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。

　　4. 晶体管的热封干燥剂和塑料树脂等聚合物的添加剂。

　　5.成各种形状的氮化硼制品，可用做高温、高压、绝缘、散热部件。

　　6. 航天航空中的热屏蔽材料。

　　7.在触媒参与下，经高温高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。

　　8.原子反应堆的结构材料。

　　9.飞机、火箭发动机的喷口。

　　10.高压高频电及等离子弧的绝缘体。

　　11.防止中子辐射的包装材料。

　　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质勘探、石油钻探的钻头。

　　13.冶金上用于连续铸钢的分离环，非晶态铁的流槽口，连续铸铝的脱模剂(各种光学玻璃脱膜剂)

　　14.做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀铝、显示器镀铝等的蒸发舟。

　　15.各种保鲜镀铝包装袋等。

　　16.各种激光防伪镀铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等。

　　17.化妆品用于口红的填料，无毒又有润滑性，又有光泽是法国比较好的口红。

　　4.碳化硼陶瓷

　　分子式:CB4;分子量:55.25;CAS号:12069-32-8;性质:密度2.51。

　　又称一碳化四硼(tetra-boron carbide)。有光泽的黑色晶体。工业品一般呈粉状。密度2.520g/cm3。熔点2350℃。沸点>3500℃。溶于熔融碱。不溶于水和酸。硬度次于金刚石。由硼酸、人造石墨和石油焦混合物在电弧炉内于1700~2300℃下进行碳化反应，经冷却后破碎，筛选，多次热水洗涤，粗碎，酸洗，沉降分离，干燥，筛分制得。也可由元素硼和碳混合，在2200~2250℃下反应制得。广泛用于硬质合金，作研磨材料，以及宝石材料的加工和金属硼化合物的制取等。也用于原子反应堆。