新型陶瓷材料——塞隆陶瓷(SiAlON)

　　塞隆陶瓷（SiAlON）簡介
　　為綜合Si3N4良好的抗熱震性能以及Al2O3優(yōu)異的燒結(jié)性，英國陶瓷學(xué)家Jack和Wilson以及日本學(xué)者Oyama在1971~1972年獨立發(fā)現(xiàn)Al2O3可以固溶到β-Si3N4晶格當(dāng)中形成固溶體這一現(xiàn)象。Si3N4中的Si、N原子可被Al2O3中的Al、O原子部分置換形成置換型固溶體，沒有生成新的晶體結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的晶胞尺寸增大，這是一種由Si-Al-O-N元素組成的新型陶瓷材料，即塞隆陶瓷(SiAlON)。
　　SiAlON陶瓷可分為α-SiAlON、β-SiAlON和(α+β)-SiAlON復(fù)合陶瓷。其中，α-SiAlON的結(jié)構(gòu)類似于α-Si3N4，屬于α-Si3N4的固溶體，通式為MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n(M表示金屬大離子，Li+，Mg2+，Ca2+，Y3+等大多數(shù)稀土離子；x=m/z；x為金屬大離子填充數(shù)，m表示(Al-N)取代(Si-N)的取代量，z為M的電價，n表示(Al-O)取代(Si-N)的取代量)。α-SiAlON陶瓷硬度高，耐磨性能好，抗熱震性及抗氧化性能良好。
　　β-SiAlON為β-Si3N4晶格中固溶Al2O3形成的SiAlON陶瓷，其化學(xué)式可表示為：Si6-zAlzOzN8-z(0≤z≤4.2)，其中z為Al或O原子置換Si或N原子的數(shù)目。當(dāng)z值逐漸增大時，固溶的Al2O3增多，晶胞尺寸增大，得到β-SiAlON的密度和強(qiáng)度都會有所降低。β-SiAlON具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性和良好的燒結(jié)性能。
　　塞隆陶瓷的應(yīng)用
　　SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韌性、高溫機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)異性能比大多數(shù)的鋼與合金好，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。
　　SiAlON陶瓷的應(yīng)用
　　塞隆陶瓷的粉體制備
　　目前，SiAlON陶瓷粉體的合成方法主要有：直接合成法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原氮化法等。
　　直接合成法：以Si3N4、SiO2、Al2O3及AlN為原料，根據(jù)相圖，嚴(yán)格按照各個組分的配比并選擇適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚄l件高溫合成SiAlON陶瓷粉體。
　　直接合成法的優(yōu)點：易通過控制調(diào)節(jié)組分合成不同特殊需要的性能優(yōu)越的塞隆陶瓷。缺點是Si3N4、AlN等原料價格昂貴，整個工藝能耗大，對設(shè)備要求高，限制了塞隆陶瓷的大規(guī)模生產(chǎn)及廣泛應(yīng)用。
　　自蔓延高溫合成法（SHS）：是將Si粉、Si3N4、AlN等按一定的比例充分混合后置于一定壓力的氮氣氣氛中，點燃反應(yīng)物頂端的鈦粉，產(chǎn)生的高溫使反應(yīng)物開始發(fā)生燃燒反應(yīng)，由于該合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，一旦點燃就能夠自發(fā)維持，并以一定的速率向前推進(jìn)，數(shù)分鐘內(nèi)就能夠完成整個合成反應(yīng)。
　　由自蔓延高溫合成法合成的SiAlON粉燒結(jié)成的SiAlON蜂窩陶瓷及SiAlON-SiC復(fù)合蜂窩陶瓷已被用于處理汽車尾氣中CO的應(yīng)用中。
　　自蔓延高溫合成法的優(yōu)點：工藝簡單、反應(yīng)溫度高、速度快、能耗低，合成粉末純度高、松散易碎，顆粒粒徑小、活性高，粉體的燒結(jié)性能好，易燒結(jié)成致密化的SiAlON材料。缺點：SHS法所用的原料純度要求較高，由于反應(yīng)溫度高，所以對設(shè)備的要求也高，這些都增加了成本，而且此法反應(yīng)設(shè)備小、產(chǎn)量低、操作工藝嚴(yán)格，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
　　碳熱還原氮化法：是以SiO2、Al2O3為原料，也可以用天然原料高嶺土、硅線石、葉臘石、稻殼、粉煤灰和火山灰等天然原料，還可以用硅酸鹽水合物或者以硅、鋁為主成分的廢渣，其碳源也相當(dāng)廣泛，可以是碳粉、炭黑、無定形碳等無機(jī)碳，也可以是有機(jī)碳。碳在1400℃以上時具有很高的活性，足以打開Si-O鍵而形成C-O鍵，處于不飽和狀態(tài)的Si與N及Al2O3等結(jié)合而達(dá)到飽和狀態(tài)，從而形成了SiAlON材料。
　　碳熱還原反應(yīng)法的優(yōu)點：原料豐富且價格低廉，反應(yīng)溫度低，設(shè)備簡單，能耗較小，SiAlON粉體具有良好的燒結(jié)性能，是國內(nèi)外專家普遍看好的新途徑。缺點：生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO會污染環(huán)境，并且導(dǎo)致材料的氣孔率高，降低了材料的質(zhì)量，過量的碳不易除盡，影響產(chǎn)物的純度及性能。
　　塞隆陶瓷的燒結(jié)工藝
　　目前，人們?yōu)榱酥苽錆M足不同需求的SiAlON陶瓷，采用多種不同的制備工藝，各種工藝的優(yōu)缺點也各有不同。下面列舉了幾種SiAlON陶瓷的燒結(jié)工藝以及它們的特點。
　　塞隆陶瓷（SiAlON）簡介
　　為綜合Si3N4良好的抗熱震性能以及Al2O3優(yōu)異的燒結(jié)性，英國陶瓷學(xué)家Jack和Wilson以及日本學(xué)者Oyama在1971~1972年獨立發(fā)現(xiàn)Al2O3可以固溶到β-Si3N4晶格當(dāng)中形成固溶體這一現(xiàn)象。Si3N4中的Si、N原子可被Al2O3中的Al、O原子部分置換形成置換型固溶體，沒有生成新的晶體結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的晶胞尺寸增大，這是一種由Si-Al-O-N元素組成的新型陶瓷材料，即塞隆陶瓷(SiAlON)。
　　SiAlON陶瓷可分為α-SiAlON、β-SiAlON和(α+β)-SiAlON復(fù)合陶瓷。其中，α-SiAlON的結(jié)構(gòu)類似于α-Si3N4，屬于α-Si3N4的固溶體，通式為MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n(M表示金屬大離子，Li+，Mg2+，Ca2+，Y3+等大多數(shù)稀土離子；x=m/z；x為金屬大離子填充數(shù)，m表示(Al-N)取代(Si-N)的取代量，z為M的電價，n表示(Al-O)取代(Si-N)的取代量)。α-SiAlON陶瓷硬度高，耐磨性能好，抗熱震性及抗氧化性能良好。
　　β-SiAlON為β-Si3N4晶格中固溶Al2O3形成的SiAlON陶瓷，其化學(xué)式可表示為：Si6-zAlzOzN8-z(0≤z≤4.2)，其中z為Al或O原子置換Si或N原子的數(shù)目。當(dāng)z值逐漸增大時，固溶的Al2O3增多，晶胞尺寸增大，得到β-SiAlON的密度和強(qiáng)度都會有所降低。β-SiAlON具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性和良好的燒結(jié)性能。
　　塞隆陶瓷的應(yīng)用
　　SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韌性、高溫機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)異性能比大多數(shù)的鋼與合金好，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。
　　微信圖片_20191127150822.png
　　SiAlON陶瓷的應(yīng)用
　　塞隆陶瓷的粉體制備
　　目前，SiAlON陶瓷粉體的合成方法主要有：直接合成法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原氮化法等。
　　直接合成法：以Si3N4、SiO2、Al2O3及AlN為原料，根據(jù)相圖，嚴(yán)格按照各個組分的配比并選擇適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚄l件高溫合成SiAlON陶瓷粉體。
　　直接合成法的優(yōu)點：易通過控制調(diào)節(jié)組分合成不同特殊需要的性能優(yōu)越的塞隆陶瓷。缺點是Si3N4、AlN等原料價格昂貴，整個工藝能耗大，對設(shè)備要求高，限制了塞隆陶瓷的大規(guī)模生產(chǎn)及廣泛應(yīng)用。
　　自蔓延高溫合成法（SHS）：是將Si粉、Si3N4、AlN等按一定的比例充分混合后置于一定壓力的氮氣氣氛中，點燃反應(yīng)物頂端的鈦粉，產(chǎn)生的高溫使反應(yīng)物開始發(fā)生燃燒反應(yīng)，由于該合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，一旦點燃就能夠自發(fā)維持，并以一定的速率向前推進(jìn)，數(shù)分鐘內(nèi)就能夠完成整個合成反應(yīng)。
　　由自蔓延高溫合成法合成的SiAlON粉燒結(jié)成的SiAlON蜂窩陶瓷及SiAlON-SiC復(fù)合蜂窩陶瓷已被用于處理汽車尾氣中CO的應(yīng)用中。
　　自蔓延高溫合成法的優(yōu)點：工藝簡單、反應(yīng)溫度高、速度快、能耗低，合成粉末純度高、松散易碎，顆粒粒徑小、活性高，粉體的燒結(jié)性能好，易燒結(jié)成致密化的SiAlON材料。缺點：SHS法所用的原料純度要求較高，由于反應(yīng)溫度高，所以對設(shè)備的要求也高，這些都增加了成本，而且此法反應(yīng)設(shè)備小、產(chǎn)量低、操作工藝嚴(yán)格，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
　　碳熱還原氮化法：是以SiO2、Al2O3為原料，也可以用天然原料高嶺土、硅線石、葉臘石、稻殼、粉煤灰和火山灰等天然原料，還可以用硅酸鹽水合物或者以硅、鋁為主成分的廢渣，其碳源也相當(dāng)廣泛，可以是碳粉、炭黑、無定形碳等無機(jī)碳，也可以是有機(jī)碳。碳在1400℃以上時具有很高的活性，足以打開Si-O鍵而形成C-O鍵，處于不飽和狀態(tài)的Si與N及Al2O3等結(jié)合而達(dá)到飽和狀態(tài)，從而形成了SiAlON材料。
　　碳熱還原反應(yīng)法的優(yōu)點：原料豐富且價格低廉，反應(yīng)溫度低，設(shè)備簡單，能耗較小，SiAlON粉體具有良好的燒結(jié)性能，是國內(nèi)外專家普遍看好的新途徑。缺點：生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO會污染環(huán)境，并且導(dǎo)致材料的氣孔率高，降低了材料的質(zhì)量，過量的碳不易除盡，影響產(chǎn)物的純度及性能。
　　塞隆陶瓷的燒結(jié)工藝
　　目前，人們?yōu)榱酥苽錆M足不同需求的SiAlON陶瓷，采用多種不同的制備工藝，各種工藝的優(yōu)缺點也各有不同。下面列舉了幾種SiAlON陶瓷的燒結(jié)工藝以及它們的特點。
　　塞隆陶瓷（SiAlON）簡介
　　為綜合Si3N4良好的抗熱震性能以及Al2O3優(yōu)異的燒結(jié)性，英國陶瓷學(xué)家Jack和Wilson以及日本學(xué)者Oyama在1971~1972年獨立發(fā)現(xiàn)Al2O3可以固溶到β-Si3N4晶格當(dāng)中形成固溶體這一現(xiàn)象。Si3N4中的Si、N原子可被Al2O3中的Al、O原子部分置換形成置換型固溶體，沒有生成新的晶體結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的晶胞尺寸增大，這是一種由Si-Al-O-N元素組成的新型陶瓷材料，即塞隆陶瓷(SiAlON)。
　　SiAlON陶瓷可分為α-SiAlON、β-SiAlON和(α+β)-SiAlON復(fù)合陶瓷。其中，α-SiAlON的結(jié)構(gòu)類似于α-Si3N4，屬于α-Si3N4的固溶體，通式為MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n(M表示金屬大離子，Li+，Mg2+，Ca2+，Y3+等大多數(shù)稀土離子；x=m/z；x為金屬大離子填充數(shù)，m表示(Al-N)取代(Si-N)的取代量，z為M的電價，n表示(Al-O)取代(Si-N)的取代量)。α-SiAlON陶瓷硬度高，耐磨性能好，抗熱震性及抗氧化性能良好。
　　β-SiAlON為β-Si3N4晶格中固溶Al2O3形成的SiAlON陶瓷，其化學(xué)式可表示為：Si6-zAlzOzN8-z(0≤z≤4.2)，其中z為Al或O原子置換Si或N原子的數(shù)目。當(dāng)z值逐漸增大時，固溶的Al2O3增多，晶胞尺寸增大，得到β-SiAlON的密度和強(qiáng)度都會有所降低。β-SiAlON具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性和良好的燒結(jié)性能。
　　塞隆陶瓷的應(yīng)用
　　SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韌性、高溫機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)異性能比大多數(shù)的鋼與合金好，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。
　　微信圖片_20191127150822.png
　　SiAlON陶瓷的應(yīng)用
　　塞隆陶瓷的粉體制備
　　目前，SiAlON陶瓷粉體的合成方法主要有：直接合成法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原氮化法等。
　　直接合成法：以Si3N4、SiO2、Al2O3及AlN為原料，根據(jù)相圖，嚴(yán)格按照各個組分的配比并選擇適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚄l件高溫合成SiAlON陶瓷粉體。
　　直接合成法的優(yōu)點：易通過控制調(diào)節(jié)組分合成不同特殊需要的性能優(yōu)越的塞隆陶瓷。缺點是Si3N4、AlN等原料價格昂貴，整個工藝能耗大，對設(shè)備要求高，限制了塞隆陶瓷的大規(guī)模生產(chǎn)及廣泛應(yīng)用。
　　自蔓延高溫合成法（SHS）：是將Si粉、Si3N4、AlN等按一定的比例充分混合后置于一定壓力的氮氣氣氛中，點燃反應(yīng)物頂端的鈦粉，產(chǎn)生的高溫使反應(yīng)物開始發(fā)生燃燒反應(yīng)，由于該合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，一旦點燃就能夠自發(fā)維持，并以一定的速率向前推進(jìn)，數(shù)分鐘內(nèi)就能夠完成整個合成反應(yīng)。
　　由自蔓延高溫合成法合成的SiAlON粉燒結(jié)成的SiAlON蜂窩陶瓷及SiAlON-SiC復(fù)合蜂窩陶瓷已被用于處理汽車尾氣中CO的應(yīng)用中。
　　自蔓延高溫合成法的優(yōu)點：工藝簡單、反應(yīng)溫度高、速度快、能耗低，合成粉末純度高、松散易碎，顆粒粒徑小、活性高，粉體的燒結(jié)性能好，易燒結(jié)成致密化的SiAlON材料。缺點：SHS法所用的原料純度要求較高，由于反應(yīng)溫度高，所以對設(shè)備的要求也高，這些都增加了成本，而且此法反應(yīng)設(shè)備小、產(chǎn)量低、操作工藝嚴(yán)格，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
　　碳熱還原氮化法：是以SiO2、Al2O3為原料，也可以用天然原料高嶺土、硅線石、葉臘石、稻殼、粉煤灰和火山灰等天然原料，還可以用硅酸鹽水合物或者以硅、鋁為主成分的廢渣，其碳源也相當(dāng)廣泛，可以是碳粉、炭黑、無定形碳等無機(jī)碳，也可以是有機(jī)碳。碳在1400℃以上時具有很高的活性，足以打開Si-O鍵而形成C-O鍵，處于不飽和狀態(tài)的Si與N及Al2O3等結(jié)合而達(dá)到飽和狀態(tài)，從而形成了SiAlON材料。
　　碳熱還原反應(yīng)法的優(yōu)點：原料豐富且價格低廉，反應(yīng)溫度低，設(shè)備簡單，能耗較小，SiAlON粉體具有良好的燒結(jié)性能，是國內(nèi)外專家普遍看好的新途徑。缺點：生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO會污染環(huán)境，并且導(dǎo)致材料的氣孔率高，降低了材料的質(zhì)量，過量的碳不易除盡，影響產(chǎn)物的純度及性能。
　　塞隆陶瓷的燒結(jié)工藝
　　目前，人們?yōu)榱酥苽錆M足不同需求的SiAlON陶瓷，采用多種不同的制備工藝，各種工藝的優(yōu)缺點也各有不同。下面列舉了幾種SiAlON陶瓷的燒結(jié)工藝以及它們的特點。