PDF《英国的高温陶瓷和固体电解 质 陶瓷研 究》

新型无机材抖第9卷第1期1951年英国 的高温 陶瓷和 固体电解质陶瓷研究 殷之文陈人 鹤李家治 符 锡仁 编者按 : 中国科 学院上海硅酸盐研究所新型 无机材料考察组 由殷 之文 、 陈 人鹏 、 李 家治 、 符 锡仁四 人组成 , 于1980年初访 问 了英 国.

现将访英考察报告 中的高温 陶瓷和 固体 电解质陶瓷部分 刊登如下 . 第一部分 高温 陶瓷 六十 年代 以前 , 英 国高温 陶瓷的研究 主要 集 中在氧 化物 陶瓷 和金 属 陶瓷方面 .

1 9

5 9 年.NL.aPrr提出氮 化硅 陶 瓷可 用作 工程 材 料后 , 注 意力 转 到氮 化硅 、 碳 化硅 等非 氧化物 陶瓷 方面 . 这两类材 料具 有 强度 高、蠕变低 、 分 解温 度高、耐氧 化 腐蚀 以及原料 来源 广等 优点 , 有可能 取代高温蠕变 和强 度 差并 且不 耐氧 化 腐蚀 的金 属材 料,使用 在燃 气轮 机等 动力机 械中,籍以提高工作 温度 , 减 少摩 擦 损耗 , 从而 达 到提 高热 机效 率,降低能 源消 耗的目的 . 经过 二十 多年的工作 , 在 这些 高温陶瓷上 确 实取 得了 不 少进展 , 但是,要想使 它们 真正 成为 能在空气中1200℃以上 的高温 下 长期 使用 的结构 材料 , 看来还要 做许 多工 作.因此 , 在不放 弃 长远 目标 的 同时 , 更 多地 注意 发展 氮化 硅、碳化硅 陶瓷的 近期 应用 , 似乎成为英 国在这 个领 域 中的普 遍动 向.以下择 要介 绍英 国高温 陶瓷研 究 的一 些情况.(一 ) 氮 化硅 陶瓷 : 英 国是 氮 陶瓷 的故 乡.反应烧 结 氮化 硅、添加氧 化镁 的热 压 氮化 硅以及氮 化硅 和氧 化铝 的 固溶体 s i a l o n 材料等,都是 在英 国首先 研制成功 的,因此 , 在氮陶瓷 的研究 上有 坚实 的基 础,许多 见解 有一 定参考价 值.氮化 硅是 一种 共价 键的固体 , 自扩 散 系数 非 常小 , 单 靠加 热 不能使 纯 氮化 硅烧 结到 最高 密度.如把温 度 提得 很 高使 之能产 生 足够 的物质 迁移 , 却又 促使 氮 的分解 压力 达 到可观 的程 度,从而 不能 致密 化.在氮化硅中加 入各种添加 剂,可以促进 烧 结而 制成 致密 陶瓷,但对其 性 能有一 定影响.因此 , 要 制备 尺 寸形 状 精确而 同时具 有优 越性 能组 合 的氮 化硅 陶瓷制 品是 一 件相 当 困难 的事 情.现有的三 种 制造 氮 化硅 陶瓷 的方法 ― 反应烧 结、热压和 无压烧 结,都存在 一些 缺点,英国科 学家 针对 这些 间题 进 行了如 下一 些 工作 . (

1 ) 提高 反应 烧 结氮 化硅的致 密度 : 大 家知 道,反应烧 结氮 化硅 是用 硅 粉压 成块,然后把 粉 块放 在分 子氮 或氮一 氢 混合物 中约1400 C的温度 下 氮化 , 得到 . 名iaN4和月一iS3N;

的混合 产物 , 具有约那肠的气孔 率.硅粉 块 的原 始尺 寸在 氮 化时 实 际上 保持 不变 , 因此能 做 成复 杂 的形状 , 但 是它们 的高气孔率 以及 由之而 来 的高 内表 面 积严 重地 损 害着 反应 烧结 氮化硅 的强度 和抗 氧 化性 . 里 兹大 学 陶瓷 系oMulson博士 等对 硅粉的氮化 机 理进行 了 多年 的工作 , 从 反应 动力 学和 所得氮化物 的形 貌,提出了一 个氮 化机 理 的模 型:首先是 硅颗 粒表 面上 覆盖 着的510:层的 除去 , 一28一接着氮 化硅 晶体 成 核并 长大 , 最后 是通 过 氮化物 层的固态扩 散.根据这 个模型看 , 用硅粉氮 化的方法 不可能 制 备出接 近理 论密 度 的高 致密 氮化 硅 陶瓷 . 为此 , 该校正在 进行 以 下两 方面 工作:甲、用硅 、 氮 化硅 和碳化 硅 等物质 , 在适 当 的毛 细管 吸引 的 阶段 , 一 去充 填 反应 烧结 氮化硅的气 孔,以提高其 强度 . 同时 , 也探 索 反应 烧结 氮 化硅 与通 常认 为不 能 润湿 的物 质如 铝或 铝合 金之 间形成 高强度 结合的可能 性.乙、研究 在最 高可 能达 到 的纯度条 件 下氮 化硅 的 生成 和性能 . 这 项研 究主要 使 用超 高真空技术 , 使 原料 粉末 表面 尽可 能达 到 原子清 洁(a t o m i c a n y c l e a n ) 的程度 . 这不 但可以了解 痕 量元素 如氧 和铝对 相 的稳定 性 的关系 , 而 且可 以 测定 原子 清洁 的 氮化硅 表面的润 湿性能 . (