碳化硅陶瓷范文第1篇

[关键词]含油废水；碳化硅陶瓷膜；反冲洗

中图分类号：X741 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0175-01

一、前言

随着经济和工业的快速发展，石油化工，金属工业，机械工业，食品加工等行业也在快速发展，进而产生了大量的含油废水。据统计，世界上每年至少有500～1000 万吨油类污染物通过各种途径进入水体，它已严重影响，破坏了环境，并且危害人体健康。含油废水是一种量大面广且危害严重的工业废水，具有COD，BOD 值高，有一定的气味和色度，易燃，易氧化分解，难溶于水的特点。

近年来，膜技术作为一门新型的分离、浓缩、提纯、净化技术在各个行业得到了广泛的应用，前景十分广阔。膜材料的选择也十分重要，常用的疏水膜有聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚乙烯等。亲水膜有纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚砜/？聚醚砜、聚酰亚胺/？聚醚酰亚胺、聚酯肪酰胺、聚炳烯腈等具有亲水基团的高分子聚合物，以及如Al2O3？，TiO2？和ZrO2等陶瓷膜等。与传统分离技术相比，膜分离具有设备简单、操作方面、分离效率高、节能等优点，是油田含油污水处理技术的重点发展方向之一[1]。

从此可以看出，膜分离技术在含油废水处理中的研究与应用相当广泛，但此方法大多都用于有机膜，虽处理效率高，但极易被腐蚀，且不耐高温、PH值适应范围窄、机械强度低、孔径分布宽、渗透率低、易水解、易污染、较难清洗再生等缺点[2]。以无机粒子，如Al2O3和掺杂稀土元素Ce的纳米SiO2的复合粒子[7]，对高分子材料进行共混改性所成的混合膜，虽极大地提高膜的亲水性。从而也提高膜的抗污染能力；但膜通量比无机膜低，清洗后通量恢复率也只有85%。

二、新型无机陶瓷膜的简介

无机陶瓷膜是固态膜的一种，是以由氧化铝、氧化钛、氧化锆等无机材料经高温烧结而成具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料，多孔支撑层、过渡层及微孔膜层呈非对称分布，过滤精度涵盖微滤、超滤甚至纳滤。

无机膜具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度好、抗生性能强、可清洗性强、渗透量大、使用寿命长等特点，分离效果和清洗恢复性较好；但也存在较难清洗，难再生等缺点[5，，6]。张国胜等[9]采用0.2 μm氧化锆膜处理钢铁厂冷轧乳化液废水，通过对膜的选择、操作参数的考察、过程的优化，获得了满意的结果，膜通量100 L/（m2・h）时，含油质量浓度从5000 mg/L降至1 mg/L以下，截留率大于99 %，透过液中油质量分数小于0.001 %，并且该技术已实现了工业化应用。

陶瓷膜具有优异的热传导性、抗热震性、生物相容性、耐酸碱性、机械性能和化学惰性，以及低的热膨胀性，能够在必须承受高温和机械压力的腐蚀性环境中应用。因此，陶瓷膜除了具有无机膜的一般性能外，还具有许多一般无机膜所不具备的优点，被认为是一种无可取代各种无机膜的新型分离膜。

近年来，国内采用陶瓷膜处理油田采出水的报道也相应增加。张斌等[7]利用膜孔径为1nm的陶瓷膜处理高浓度聚醚废水并回收大分子聚醚多元醇。在跨膜压力为0.2MPa，温度43℃的条件下，渗透液中COD的去除率高达96%以上。

三、无机陶瓷膜的试验情况

本实验采用了XX公司 CFU008实验装置。此装置带有机载传感器数据记录功能及用于工业膜过滤试验的PLC控制系统。

含浓油废水先经过预处理，去除其中的可见油、油泥及其他颗粒污染物，使预处理后的废水能够达到碳化硅陶瓷膜进料的要求。

经预处理后的废水进入碳化硅陶瓷膜除油系统进行过滤处理，去除废水中的油和悬浮颗粒，以满足后续生物法废水处理工艺的要求。碳化硅陶瓷膜采用错流过滤的运行方式，废水平行通过膜表面，小分子物质透过膜，大分子被截留；被截留的物质又不断的被流体带离膜表面，这样膜不易被堵塞，设备的运行时间更长，清洗更容易。

含油废水，某石油公司提供，水质数据如下：

四、试验结果与讨论

本中试试验主要研究此超滤膜对OIW及TSS的最优处理效果。结果表明，接触角、跨膜压差及温度等对过滤有很大影响。

接触角90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。

跨膜压差对膜通量及油水处理能力的影响，在跨膜压差增加到足够大时，由于凝胶层的逐渐形成，使得过程也随之逐渐变得与压力无关。过大的压差，还会使得油滴因挤压变形而进入并透过膜孔，致膜的截留率降低；况且提高压差需要耗费很多的能量，还会使膜体压实，膜孔增堵，也不利于反冲洗和清洗。

温度也是影响超滤膜透水率的主要因素之一。试验阶段温度升高，使超滤膜的透水率增加，温度是透水率升高的主要因素。此后，随着超滤的继续进行，浓差极化现象开始出现，凝胶层阻力的产生开始阻碍透水率的进一步升高，在温度达到60℃之前，透水率缓慢下降，认为在此阶段，温度和凝膜层阻力共同作用导致了透水率的缓慢下降。当温度继续升高，同时浓差极化现象也越来越严重，凝胶层阻力发挥主要作用，所以，超滤膜的透水率迅速下降。且温度的提高，能耗随之提高，也会对过滤膜造成一定的损害。

膜污染是任何膜分离过程中不可避免的问题。因此，运行一定时间后，就需要对膜芯进行清洗。有效的膜清洗方法对于膜应用可行性至关重要。

参考文献

[1] 蔺爱国，刘培勇，刘刚等。[J].工业水处理，2006，26（01）：5-8.

[2] 张裕卿，常俊石。[J].工业水处理，2000，20（02）：24-25.

[3] 涂郑禹，李栋，柳琦，等。[J].化学工程师，2009，23（04）：37-40.

[4] 樊栓狮，王全渠。[J].大连理工大学学报，2000，40（01）：61-63.

[5] 金江，陈悦，吴桢。[J].南京化工大学学报，2000，22（01）：67-70.

[6] 张国胜，谷和平，邢卫红，等。[J].水处理技术，2000，26（02）：71-75.

碳化硅陶瓷范文第2篇

关键词先进陶瓷，结构陶瓷，研究进展

1前言

20世纪60年代以来，新技术革命的浪潮席卷全球，计算机、微电子、通信、激光、新能源、航天、海洋和生物工程等新兴技术的出现和发展，对材料提出了很高的要求，能够满足这些要求的先进陶瓷材料应运而生，并在这些技术革命中发挥着重要的作用[1～4]，同时也极大地促进了陶瓷科学的发展和应用，使陶瓷材料又一次焕发出了青春, 在尖端科学领域得到广泛的应用, 如航天、航空、汽车、体育、建筑、医疗等领域[4，5]。

先进陶瓷是有别于传统陶瓷而言的，不同国家和不同专业领域对先进陶瓷有不同叫法。先进陶瓷也称高技术陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷等[1]。先进陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，但远远超出了传统陶瓷的范畴，是陶瓷发展史上一次革命性的变化。通常认为，先进陶瓷是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。

先进陶瓷按用途可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷。先进结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环保、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现方面都发挥了积极的作用。本文着重介绍近年来结构陶瓷的研究进展及发展趋势。

2先进结构陶瓷及其应用

先进结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它。若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)[1]。

由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能[4]，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为许多新兴科学技术得以实现的关键，在能源、航空航天、机械、交通、冶金、化工、电子和生物医学等方面有着广泛的应用前景。

2.1 耐高温、高强度、耐磨损陶瓷

2.1.1 氮化物陶瓷[6～8]

氮化物陶瓷是近20多年来迅速发展起来的新型工程结构陶瓷。氮化硅陶瓷和一般硅酸盐陶瓷不同之处在于其中氮和硅的结合属于共价键性质的键合，因而有结合力强、绝缘性好的特点。

氮化硅的烧结与一般陶瓷的烧结工艺不同，采用的是反应烧结法，此法制造的氮化硅陶瓷，不能达到很高的致密度，一般只能达到理论密度的79％左右，不能制造厚壁部件。提高氮化硅陶瓷致密度的有效方法之一就是在高温下进行加压烧结，由此可得到热压氮化硅陶瓷，其室温抗弯强度一般都在800～1000MPa。如果在其中添加少量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度可达到1500MPa，在陶瓷材料中名列前茅，硬度很高，是世界上最坚硬的物质之一；极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解；有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸(氢氟酸除外)和30％以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀，同时又是一种高性能电绝缘材料。由于其热膨胀系数小，抗温度急变能力很强，因此氮化硅陶瓷具有优良的力学性能，在工程技术的应用上已占有重要地位。

氮化硅陶瓷制品的种类很多，应用也日益广泛，例如可做燃气轮机的燃烧室、晶体管的模具、液体或气体输送泵中的机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道和阀门、铸铝用永久性模具、钢水分离环等。利用氮化硅摩擦系数小的特点用作轴承材料，特别适合作为高温轴承使用，其工作温度可达1200℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍；使用陶瓷轴承还可以免除系统，大大减少对铬、镍、锰等原料的依赖。氮化硅作为高温结构陶瓷最引人注目的就是在发动机制造上获得了突破性进展。美国用热压氮化硅制成的发动机转子成功地在5000转／min的转速下运转很长时间。

2.1.2 碳化硅陶瓷[9，10]

工业化生产碳化硅的方法是将石英、碳素（煤焦）、木屑和食盐混合，在电炉中加热到2200～2500℃下制成。碳化硅陶瓷和许多陶瓷的不同之处，在于它在室温下既能导电，又耐高温，是一种很好的发热元件。用碳化硅制成的电热棒叫硅碳棒，在空气中能经受1450℃的高温；质量好的重结晶法制成的硅碳棒甚至可耐1600℃的高温，远高于金属电热元件(除了铂、铑等贵金属外)，这是因为它在高温空气中会氧化生成一层致密的氧化硅薄膜，起到隔离空气的作用，大大减慢了内层碳化硅的进一步氧化，从而使它能在高温下工作。用热压工艺可以制得接近理论密度值的高致密碳化硅陶瓷，它的抗弯强度即使在1400℃左右的高温下仍可达到500～600MPa，而其它陶瓷材料在1200℃以后，强度都会急剧下降。因此，碳化硅是在高温空气中强度最高的材料。

高温燃气涡轮发动机要提高效率，就必须提高工作温度，而解决问题的关键是找到能承受高温的结构材料，特别是发动机内部的叶片材料。碳化硅陶瓷在高温下有足够的强度，且有良好的抗氧化能力和抗热震性，这些优良品质都使它极其适合作为高温结构材料使用。用于在1200～1400℃下工作的高温燃气涡轮发动机叶片的材料，许多科学家认为它和氮化硅陶瓷是最有希望的候选材料。

碳化硅陶瓷的热传导能力仅次于氧化铍陶瓷。利用这一特性，可作为优良的热交换器材料。太阳能发电设备中被阳光聚焦加热的热交换器，其工作温度高达1000～1100℃，具有高热传导性的碳化硅陶瓷很适合做这种热交换器的材料，从试验情况来看，碳化硅陶瓷热交换器的工作状态良好。此外，在原子能反应堆中碳化硅陶瓷可用作核燃料的包封材料，还可作为火箭尾喷管的喷嘴及飞机驾驶员的防弹用品。

此外，为了提高切削刀具的切削性能，20世纪以来，刀具材料经过了高速钢和硬质合金两次发展过程，目前正在进入陶瓷刀具大发展的阶段。新型陶瓷以其耐高温、耐磨削的特点，已在20世纪初引起了高速切削工具行业的注意。陶瓷刀具不仅红硬性高，而且具有高硬度、高耐磨性，因此便成为制造切削刀具的理想材料。目前，制造陶瓷切削刀具的材料主要有氧化铝、氧化铝-碳化钛、氧化铝-氮化钛-碳化钛-碳化钨、氧化铝-碳化钨-铬、氮化硼和氮化硅等[11]。以这类材料制作的刀具没有冷却液也可以工作，比起硬质合金来具有切削速度高、寿命长等优点。目前，欧美各国都已广泛使用陶瓷材料做钻头、丝锥和滚刀；原苏联确定了7000多个品种的合金刀具，用喷涂表面陶瓷涂层的办法来提高车刀的工作速度和使用寿命。

陶瓷除作切削刀具外，利用其耐磨、耐腐蚀的特性还可用作各种机械上的耐磨部件。如用特种陶瓷制作农用水泵、砂浆泵、带腐蚀性液体的化工泵及有粉尘的风机中的耐磨、耐腐蚀件或密封圈等都已取得良好的实用效果。此外，高纯氧化铝(刚玉)可制作金属拉丝模，尤其在高温下的热拉丝更显示出陶瓷的优越性；工业陶瓷中纳球磨筒和磨球，金属表面除锈用的喷砂嘴，喷洒农药用的喷头等。总之，凡是需要耐磨、耐腐蚀的场合，几乎都会看到特种陶瓷的存在。

2.2 耐高温、高强度、高韧性陶瓷

新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等性能，因此在冶金、宇航、能源、机械等领域有重要的应用。由于陶瓷的韧性差，因此也限制了它的使用范围。1975年澳大利亚的伽里耶(Garie)首次成功地利用添加氧化锆来大大提高陶瓷材料的强度和韧性，自那时起世界各国利用氧化锆增韧这一办法，开发出多种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，掀起了寻求打不碎陶瓷的热潮。

氧化锆能够增加陶瓷材料韧性和提高强度的原因，至今虽没有完全搞清楚，但研究结果已经表明，它和均匀弥散在陶瓷基体中的氧化锆晶粒的相变有关。一种增韧理论认为相变膨胀导致的微裂纹可以阻止造成脆断的裂纹扩展；另一种理论认为应力诱导相变，而相变可吸收应力的能量，从而起到增韧的作用[12～14]。总之，在某些陶瓷材料中引入一定量亚稳氧化锆微粒，并使其均匀分布都可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。

氧化锆增韧陶瓷已在工程结构陶瓷研究中取得重大进展，经过增韧的陶瓷品种日益增多。现在已经发现可稳定氧化锆的添加物有氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化铈、氧化钇等单一氧化物或它的复合氧化物。被增韧的基质材料，除了稳定的氧化锆外，常见的有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷，还有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。日本在氧化铝基质（强度为400MPa、断裂韧性为5.2 J/m2）材料中，添加16%体积百分数的氧化锆进行增韧处理，制得材料的强度高达1200MPa，提高了3倍，断裂韧性达到15.0J/m2，几乎也提高了3倍，基本达到了低韧性金属材料的程度[12]。最近的研究表明，强度和韧性是相互制约的。尽管如此，许多陶瓷材料通过氧化锆增韧，大大拓宽了应用领域，增强了取代某些金属材料的能力，出现了喜人的应用前景。利用氧化锆增韧陶瓷可替代金属制造模具、拉丝模、泵机的叶轮、特种陶瓷工业用的磨球、轴承，替代手表中的单晶红宝石。日本用增韧氧化锆做成剪刀，既不会生锈，又不导电，可以放心地剪断带电的电线。氧化锆增韧陶瓷还可用于制造汽车零件，如凸轮、推杆、连动杆、销子等。

2.3 耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷[4，15]

现代电光源对构成材料的耐高温、耐腐蚀性及透光性有很高的要求，而同时满足这些性能的材料直到20世纪50年代后期才开始得到发展。1957年，美国通用电器公司的科布尔等人在平均尺寸只有0.3μm的高纯超细氧化铝原料中，添加氧化镁，混匀后压成小圆片，放在通氢气的高温电炉中烧制，意外地发现它像玻璃一样透明。科布尔还发现，把透明的陶瓷片放在显微镜下观察，几乎看不到微气孔。经过多次实验观察和研究分析发现，陶瓷的透光能力和内部气孔大小有很大关系，当微气孔的大小在1μm左右时，厚度为0.5mm的陶瓷试样只要含有千分之三的气孔就能使光线的透过率减少90％。一般氧化铝陶瓷中所含的气孔都超过这个数字。因此，构成氧化铝陶瓷的刚玉小晶体本身能够透过光线，而陶瓷还是不透明。使陶瓷透明的关键，是坯体中只能有一种晶型的晶体，而且对称性愈高愈好，否则会发生双折射，此外气孔要愈少愈好，有人做过试验，当气孔小到埃的数量级时，光会沿着微气孔发生绕射现象，这有助于透明度的提高。

氧化铝陶瓷是高压钠灯极为理想的灯管材料，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把95 %以上的可见光传送出来。这种灯是目前世界上发光效率最高的灯。在相同功率下，一只高压钠灯要比2只水银灯或10只普通白炽灯发出的光还要亮，寿命比普通白炽灯高20倍，可使用2万小时以上，是目前寿命最长的灯。人眼对高压钠灯的黄色谱线十分敏感，而且黄光能穿过浓雾，特别适合街道、广场、港口、机场、车站等大面积的照明，效果极好。目前，许多国家正在推广使用，其发展速度之快，超过了以往任何一种电光源。由此不难看出，新型透明氧化铝陶瓷的出现，引起了电光源发展过程中的一次重大飞跃，带来了巨大的社会经济效益。

除半透明氧化铝陶瓷外，研究得较多的还有氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锆、氧化钇、氧化钍、氧化镧等。透明氟化镁、氰化钙、硫化锌、硒化锌、硒化镉等也有报道。用氧化铝和氧化镁混合在1800℃高温下制成的全透明镁铝尖晶石陶瓷，外观极似玻璃，但其硬度、强度和化学稳定性都大大超过玻璃，可以用它作为飞机挡风材料，也可作为高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗、炸弹瞄准具，以及飞机、导弹的雷达天线罩等。

2.4 纤维、晶须补强陶瓷复合材料[12，16～18]

近年来，以陶瓷为基体、纤维或晶须补强的复合材料由于其韧性得到提高而受到重视。碳化硅晶须增韧的氧化铝陶瓷刀具在20世纪80年代初开始研究，1986年已作为商品推向市场。碳化硅晶须的加入大大提高了氧化铝陶瓷的断裂韧性，改善了切削性能。用碳纤维和锂铝硅酸盐陶瓷复合，材料的强度已接近或超过1000MPa，其断裂功高达3000J/m2，即达到了铸铁的水平。用钽丝补强氮化硅的室温抗机械冲击强度增加到30倍；用直径为25μm的钨丝沉积碳化硅补强氮化硅，这种纤维补强陶瓷的断裂功比氮化硅提高了几百倍，强度增加60％；用莫来石晶须来补强氮化硼，其抗机械冲击强度提高10倍以上。可以认为，继20世纪70年代出现的相变增韧热后，晶须、纤维增强、均韧复合陶瓷已成为结构陶瓷发展的主流。高性能(强度、韧性)、高稳定性、高重复性的晶须、纤维复合陶瓷材料的获得，除要求晶须、纤维与基体间化学、物理相容性较好以外，从复合工艺上，还必须保证晶须纤维在基体中能均匀地分散，才能获得预期的效果。最近，利用“织构技术”，在某些陶瓷坯体中生长出纤维状态针状第二相物质如莫来石晶体进行“自身内部”复合，这种复合增韧是一项简便易行的陶瓷补强新技术。目前高性能陶瓷复合材料，还处在深化研究阶段，关键在于改进工艺和降低成本，提高其实际应用的竞争力。

2.5 生物陶瓷[4，5，19]

生物陶瓷材料是先进陶瓷的一个重要分支，它是指用于生物医学及生物化学工程的各种陶瓷材料。它的总产值约占整个特种陶瓷产值的5％。生物陶瓷目前主要用于人体硬组织的修复，使其功能得以恢复。全世界1975年才开始生物陶瓷的临床应用研究。但是，最近10多年间，各国在这方面的基础应用研究很活跃。

目前生物植入材料在人体硬组织修复中应用的有：金属及合金、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料。材料被埋在体内，在体内的严酷条件下，由于氧化、水解会造成材料变质；长期持续应力作用会造成疲劳或者破裂、表面磨损、腐蚀、溶解等，这些都可引起组织反应，腐蚀产物不仅在种植体附近聚集，还会溶入血液和尿中，引起全身反应。因此，对生物植入材料的要求是严格的、慎重的。陶瓷材料作为生物植入材料和其他材料相比，它和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好，因此，生物陶瓷越来越受到重视。目前国内一些高等院校已对羟基磷灰石及氧化铝陶瓷等进行了研究，并已开始临床应用。

随着人类社会物质文明的发展，人们对提高医疗保健水平和健康长寿的要求必然成为广泛的社会需要。可以相信，生物陶瓷材料今后必将会有重大发展。

3结构陶瓷的发展趋势

当今世界，材料，特别是高性能新材料由于以下原因而得到迅速发展：（1）国际军事工业激烈竞争，航空航天技术的发展需要；（2）新技术的需要促进了新材料的发展；（3）地球上金属资源与化石能源越用越少，石油、天燃气等在本世纪末将用尽，开发与节约能源成为当务之急；（4）科学技术的进步为新材料的发展提供了条件[14]。目前使用的金属合金，在无冷却条件下，最高工作温度不超过1050℃，而高温结构陶瓷，如Si3N4和SiC则分别在1400℃和1600℃以上仍保持着较高的强度和刚性[16]。先进结构陶瓷所表现出的优异性能，是现代高新技术、新兴产业和传统工业改造的物质基础，具有广阔的应用前景和巨大的潜在社会经济效益，受到各发达国家的高度重视，对其进行广泛的研究和开发，并已取得了一系列成果。但结构陶瓷的致命弱点是脆性、低可靠性和重复性。近20年来，围绕这些关键问题已开展了深入的基础研究，并取得了突破性的进展。例如，发展和创新出许多制备陶瓷粉末、成形和烧结的新工艺、新技术；建立了相变增韧、弥散强化、纤维增韧、复相增韧、表面强化、原位生长强化增韧等多种有效的强化、增韧方法和技术；取得了陶瓷相图、烧结机理等基础研究的新成就，使结构陶瓷及复合陶瓷的合成与制备摆脱了落后的传统工艺而实现了根本性的改革，强度和韧性有了大幅度的提高，脆性得到改善，某些结构陶瓷的韧性已接近铸铁的水平。

先进结构陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。目前，高性能结构陶瓷的发展趋势主要有如下三个方面：

3.1 单相陶瓷向多相复合陶瓷发展

当前结构陶瓷的研究与开发已从原先倾向于单相和高纯的特点向多相复合的方向发展[20]。复合的主要目的是充分发挥陶瓷的高硬度、耐高温、耐腐蚀性并改善其脆性，其中包括纤维(或晶须)补强的陶瓷基复合材料；异相颗粒弥散强化的复相陶瓷；自补强复相陶瓷（也称为原位生长复相陶瓷）；梯度功能复合陶瓷[21]。以往研究的微米-微米复合材料中,微米尺度的第二相颗粒(或晶须、纤维)全部分布在基体晶界处，增韧效果有限,要设计和制备兼具高强度、高韧性且能经受恶劣环境考验的材料十分困难，纳米技术和纳米材料的发展为之提供了新的思路。

20世纪90年代末,Niihara教授领导的研究小组报道了一些有关纳米复相陶瓷的令人振奋的试验结果,如Al2O3-SiC(体积分数为5%)晶内型纳米复合陶瓷的室温强度达到了单组分Al2O3陶瓷的3～4倍,在1100℃下强度达1500MPa[8～12，22～26]，这些都引起了材料研究者的极大兴趣。从那时直到现在,纳米复相陶瓷的研究不断深入[13～17，27～31]，我国也相继开展了一系列的工作,目前对纳米复相陶瓷的研究已处于国际一流水平[18～22，32～36]。

3.2 微米陶瓷向纳米陶瓷发展

1987年，德国Karch等[37]首次报道了纳米陶瓷的高韧性、低温超塑。此后,世界各国对发展纳米陶瓷以解决陶瓷材料脆性和难加工性寄予了厚望。从20世纪90年代开始，结构陶瓷的研究和开发已开始步入陶瓷发展的第三个阶段，即纳米陶瓷阶段。结构陶瓷正在从目前微米级尺度(从粉体到显微结构)向纳米级尺度发展。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸以及缺陷尺寸都属于纳米量级，为了得到纳米陶瓷，一般的制粉、成形和烧结工艺已不适应，这必将引起陶瓷工艺的发展与变革，也将引起陶瓷学理论的发展乃至建立新的理论体系，以适应纳米尺度的需求。由于晶粒细化有助于晶粒间的滑移，使陶瓷具有超塑性，因此晶粒细化可使陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在性能上发生突变甚至出现新的性能或功能。纳米陶瓷的发展是当前陶瓷研究和开发的一个重要趋势，它将促使陶瓷材料的研究从工艺到理论、从性能到应用都提升到一个崭新的阶段。

纳米陶瓷的关键技术在于烧结过程中晶粒尺寸的控制。为解决这一问题,目前主要采用热压烧结、快速烧结、热锻式烧结、脉冲电流烧结、预热粉体爆炸式烧结等致密化手段[39～43]，但总的来说,以上各种手段，虽对降低烧结温度、提高致密度有一定作用,但对烧结过程中晶粒长大的抑制效果并不理想，大块纳米陶瓷的制备一直是目前国际上纳米陶瓷材料研究的前沿和难点。目前纳米陶瓷在商业应用方面尚未取得突破性进展，若能制备出真正意义上的纳米陶瓷，则将开创陶瓷发展史上的新纪元，陶瓷的脆性问题也将迎刃而解[44]。大量的研究结果表明[45～49]，将等离子喷涂技术与纳米技术相结合，以纳米陶瓷粉末为原料经等离子喷涂技术制备的纳米陶瓷结构涂层表现出极其优异的性能，已经使纳米材料的应用逐步进入大规模实用化的阶段。

3.3 由经验式研究向材料设计方向发展

由于现代陶瓷学理论的发展，高性能结构陶瓷的研究已摆脱以经验式研究为主导的方式，陶瓷制备科学的日趋完善以及相应学科与技术的进步，使陶瓷材料研究工作者们有能力根据使用上提出的要求来判断陶瓷材料的适应可能性，从而对陶瓷材料进行剪裁与设计，并最终制备出符合使用要求的适宜材料。

陶瓷材料常常是多组分、多相结构，既有各类结晶相，又有非晶态相，既有主晶相，又有晶界相。先进结构陶瓷材料的组织结构或显微结构日益向微米、亚微米，甚至纳米级方向发展。主晶相固然是控制材料性能的基本要素，但晶界相常常产生着关键影响。因此，材料设计需考虑这两方面的因素。另外，缺陷的存在、产生与变化、氧化、气氛与环境的影响，对结构材料的性能及在使用中的行为将产生至关重要的作用。所以这也是材料设计中要考虑的重要问题，材料的制备对结构与缺陷有着直接影响，因此人们力求使先进陶瓷材料的性能具有更好的可靠性和重复性，制备科学与工程学将在这方面发挥重要作用。

陶瓷相图的研究为材料的组成与显微结构的设计提供了具有指导性意义的科学信息。最近提出的陶瓷晶界应力设计，企图利用两相或晶界相在物理性质(热膨胀系数或弹性模量)上的差异，在晶界区域及其周围造成适当的应力状态，从而对外加能量起到吸收、消耗或转移的作用，以达到对陶瓷材料强化和增韧的目的[1]。为克服陶瓷材料的脆性而提出的仿生结构设计，通过模仿天然生物材料的结构，设计并制备出高韧性陶瓷材料的新方法也成为研究热点[12，50]。

4结语

先进结构陶瓷材料在粉体制备、成形、烧结、新材料应用以及探索性研究方面取得了丰硕的成果，这些新材料、新工艺、新技术，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环境保护、提高生产效率，延长机器设备寿命以及实现尖端技术等方面，已经并继续发挥着积极的作用，促进了国民经济可持续发展、传统产业的升级改造和国防现代化建设。

先进结构陶瓷材料的研究，需要跟踪国际科技前沿，对新设想、新技术进行广泛探索。自蔓延高温燃烧合成技术(SHS)、凝胶注模成形技术、微观结构设计已成为研究热点。

陶瓷材料的许多独特性能有待我们去开发，所以先进陶瓷的发展潜力很大。随着科技的发展和人们对陶瓷研究的深入，先进陶瓷将在新材料领域占有重要的地位。

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Research Progress on Advanced Structural Ceramic Materials

Lu XuechengRen Ying

（Handling Equipment Mechanical Department, Academy of Military TransportationTianjin300161)

碳化硅陶瓷范文第3篇

一、结构陶瓷同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。

1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化锆、莫来石和钛酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题,原料价格低廉,生产工艺简单。氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性,主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平,但它在1400℃仍能保持这一强度水平,并且高温蠕变速率极低,因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹,因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低,无法单独作为受力元件,所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件,并已在陶瓷发动机上得到应用。

2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起,因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力,并且能把这些性能的大部分保持到高温,这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难,必须在极高温度(1500～2500℃)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品,有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度(>95%),所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性,因此一直是陶瓷发动机的最重要材料,目前已经取代了许多超高合金钢部件。现有最佳超高合金钢的使用温度低于1100℃,而发动机燃料燃烧的温度在1300℃以上,因而普遍采用高压水强制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金钢后,燃烧温度可提高到1400℃以上,并且不需要水冷系统,这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。非氧化物陶瓷也广泛应用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比,其成本较高,但高温韧性、强度、硬度、蠕变抗力优异得多,并且刀具寿命长、允许切削速度高,因而在刀具市场占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。

3、玻璃陶瓷玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度,玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化,而陶瓷的软化温度同熔点很接近,因而陶瓷的机械性能和使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型,工艺简单而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能,它利用玻璃成型技术制造产品,然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁-铝-硅酸盐、锂-镁-铝-硅酸盐和钙-镁-铝-硅酸盐系列,它们常被用来制造耐高温和热冲击产品,如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用,如地板、装饰玻璃。

二、陶瓷基复合材料复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种以上不同材料混合在一起制成的多相材料,它具有其中任何一相所不具备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低,使用时会产生不可预测的突然性断裂,陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷基复合材料主要有两类:氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。氧化锆相变增韧复合材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其他陶瓷粉末(如氧化铝、氮化硅或莫来石)混合后制成的高韧性材料,其断裂韧性可以达到10Mpam1/2以上,而一般陶瓷的韧性仅有3Mpam1/2左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多,所以它对基体具有强化作用;同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力,从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料,例如碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30Mpam1/2以上,比烧结碳化硅的韧性提高十倍。但因为这类材料价格昂贵,目前仅在军械和航空航天领域得到应用。另一引人注目的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体,其强度和模量接近材料的理论值,极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用,主要体系有碳化硅晶须-氧化铝-氧化锆、碳化硅晶须-氧化铝和碳化硅晶须-氮化硅。

三、功能陶瓷功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷,已经具有极高的产业化程度。下面根据性能对几类主要的功能陶瓷作一简介。

1、导电性能陶瓷材料具有非常广泛的导电区间,从绝缘体到半导体、超导体。大多数陶瓷具有优异的电绝缘性,因而被广泛用于电绝缘体。半导体分为电子型和离子型半导体。以晶体管集成电路为代表的是电子型半导体。离子型半导体仅对某些特殊的带电离子具有传导作用,最具有代表性的是稳定氧化锆和β-氧化铝。稳定氧化锆仅对氧离子具有传导作用,主要产品有氧传感器(主要用来测定发动机的燃烧效率或钢水中氧浓度)、氧泵(从空气中获得纯氧)和燃料电池。β-氧化铝仅对钠离子具有传导作用,主要用来制造钠-硫电池,其特点是高效率、对环境无危害和可以反复充电。陶瓷超导体是近10年才发展起来的,它的临界超导转化温度在所有类超导体中最高,已经达到液氮温度以上。典型的陶瓷超导体为钇-钡-铜-氧系列材料,已经在计算机、精密仪器领域得到广泛应用。

2、介电性能大多数陶瓷具有优异的介电性能,表现在其较高的介电常数和低介电损耗。介电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其他金属原子置换后,会得到具有不同介电性能的电介质。钛酸钡基电介质的介电常数高达10000以上,而过去使用的云母小于10,所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体导电状态,但当温度超过这一临界值时,电阻率突然增加到103～104倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热元件。许多陶瓷,如锆钛酸铅,具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时,会产生一个相应的电信号,反之亦然,从而实现机械能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛,产品有压力传感元件、超声波发生器等。

碳化硅陶瓷范文第4篇

关键词：多孔陶瓷；无机非金属过滤材料；发泡法；有机泡沫浸渍法

1 引言

当今社会，工业发展迅速，水污染越来越严重，多孔陶瓷在废水净化方面，有很好的效果。多孔陶瓷是一种含有较多孔洞的无机非金属材料，具有化学稳定性好、耐热性好的优点，在废水过滤方面得到广泛的应用[1]。

有机泡沫浸渍法是制备多孔陶瓷的有效工艺[2]，其工艺简单、操作方便、制造成本低，具有良好的发展前景[3]。有资料显示，以长石作为陶瓷结合剂，可以降低陶瓷的烧结温度[4]。因此，本文以粘土为基体，长石为主要添加剂，探讨不同发泡剂对陶瓷玻璃化制备的影响。

2 实验材料及方法

实验采用粘土、氟化钙、碳酸钠、质量分数为5%的氢氧化钠水溶液以及长石粉、PVC、聚苯乙烯、碳粉、淀粉、硼砂等为材料。其中，长石粉、氟化钙作为陶瓷结合剂，可以降低陶瓷烧制温度。碳酸钠作为陶瓷添加剂，可以促进陶瓷玻璃化结构形成。有资料显示PVC、聚苯乙烯、淀粉、碳粉具有很好的发泡效果[5]，受热挥发而形成多孔结构，因此，将其为发泡剂，并对发泡效果进行比较。硼砂用于降低熔点，并提高多孔材料的强度[6]。实验材料按照一定比例配置：长石3～10%，PVC（聚苯乙烯）4～20%，碳粉2～6%，碳酸钠2～6%，硼砂3%，其余为粘土。

将原材料按照以上配方称量，混合均匀，再加入20滴蒸馏水，配置成泥浆，将使用2%氢氧化钠洗净的模板浸入泥浆中，反复挤压，待泥浆充满模板后取出。同样的方法，每组做三个试样，分别加热到1100℃、999℃和750℃烧结。

实验流程为：按配方配料――将配料混合均匀――将粉料成型――烧结完成。

3 实验结果及讨论

3.1 玻璃化的产生

图1为使用聚苯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷图片，其主要原料是粘土、长石、聚苯乙烯和PVC。图2为使用碳酸钠作为发泡剂的多孔陶瓷图片，其主要原料为粘土、长石、碳酸钠、硼砂和PVC。由图片可知，图1孔洞较小，没有玻璃化产生；图2孔洞较大。有玻璃化产生。实验结果显示，图1陶瓷的熔点在950～1050℃之间，图2陶瓷的熔点在750～800℃之间。经比较得知，硼砂可以降低陶瓷熔点。

得到玻璃化结构的原因是：（1）碳酸钠本身是制备玻璃的原材料。当烧结温度超过碳酸钠的熔点，碳酸钠分解产生二氧化碳，而粘土本身含有二氧化硅，多种杂质混合形成低共融物，当温度升高，共融物融化，出现液相，形成硅酸盐和游离二氧化硅等透明烧结物。温度继续升高，则形成玻璃态的多孔陶瓷；（2）从热力学角度分析，玻璃态具有较高的内能，属于亚稳态结构，且玻璃和晶体的内能相差不大，析出动力小，能够在常温下保存。另外，碳酸根离子体积较大，不易调整结构，因此不易形成空间排布统一的晶体，而是形成亚稳态的玻璃体；（3）从微观角度分析，陶瓷内部含有离子键和共价键，可以形成sp电子杂化轨道，构成σ键和π键。它既有离子键的特点，又有共价键的特点，易于形成玻璃态。有资料显示，玻璃化结构之所以强度较高，是因为玻璃化结构中Si4+和O2-离子构成的四面体无序排列，形成了无周期反复的结构单元[7]。

图3是陶瓷熔点随长石粉百分含量变化曲线，由图可知，随着长石的百分含量增加，陶瓷的熔点下降。

图4是陶瓷相对强度随硼砂含量变化曲线，陶瓷的相对强度是指陶瓷实际强度相对于理论的强度。由图4可知，随着硼砂含量增加，陶瓷的强度也增大。

3.2 发泡剂效果的比较

由实验结果可知，聚苯乙烯的发泡效果优于聚氯乙烯，这是因为在受热过程中，聚苯乙烯热膨胀体积高于聚氯乙烯。聚苯乙烯的发泡效果也优于碳粉，使用Materials Studio 7.0对碳粉进行布局数分析。结果见图5、图6。图5是使用聚氯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷微观形貌图，图6是使用聚苯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷微观形貌图。比较两图可知，聚苯乙烯发泡效果更好。图7是使用碳粉作为发泡剂的实验样品微观形貌图。碳粉中含有少量离子键，这是阻碍碳原子受热膨胀的原因。

图8是在999℃烧结的样品微观形貌图，图9是在750℃烧结的样品微观形貌图。由实验可知，实验的两个试样，在999℃烧结的试样孔隙明显少于在750℃烧结的试样孔隙。这是由于温度过高，导致陶瓷融化，粘土溶液覆盖住孔隙，降低其孔隙率。

4 结论

（1）聚苯乙烯的发泡效果优于聚氯乙烯和碳粉，因为其受热膨胀体积大。

（2）碳酸钠不仅能够作为发泡剂，还能促进多孔陶瓷玻璃化的生成，提高强度。

（3）多孔陶瓷气孔率上升，陶瓷强度下降。

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碳化硅陶瓷范文第5篇

关键词 氮化硅晶须，结构性能，制备方法，应用现状

1引 言

晶须是在人工控制下生长的一种高强度胡须状单晶体。其直径小，纯度高，没有或很少有内部缺陷，强度和模量接近于理想晶体的理论值。因此，晶须增强的复合材料具有达到高强、高韧的潜力，因而受到高度重视。

近年来，关于碳化硅晶须的研究较多，但氮化硅晶须相对于碳化硅具有更加优良的耐高温、高强度、高模量、低膨胀和良好的化学稳定性[1]，其作为轻金属、玻璃和陶瓷的重要增强组元日益受到重视[2]。本文在介绍晶须生长机制的基础上分析了氮化硅晶须的结构特点及物化性能，介绍了氮化硅的制备方法并阐述了其应用现状，并对其今后的发展作了展望。

2晶须生长机制

晶须是一种特殊的一维晶体，其生长具有特殊性。国内外有关晶须生长机理的报道并不多，同时，针对不同的工艺原料和制备方法，晶须的生长机理更是多种多样。

2.1 VLS生长机制

晶须的VLS生长机制是晶须生长的最重要机制。该机制认为，系统中存在的触媒是气体原料和生成的固体产物之间的媒介。形成晶须的气体原料通过气-液界面输入到小液滴中，小液滴成为含有晶须气体原料的熔体。当熔体达到一定的过饱和度时，便析出晶体，并沉积在液滴与基体的界面上。随着气体的连续供给，晶须连续生长，将小液滴抬起，直至停止生长。最后液滴残留在晶须的顶部，构成VLS机制的晶须形貌。按照该机理生长的晶须，可通过控制触媒液的性质、位置、种类、化学组成等来控制晶须的生长。

2.2 螺旋位错生长机制

当体系中引入杂质时，其螺旋位错的台阶为晶须的成核及生长提供了能量“优惠区”，使得在很低的过饱和度下晶须就能生长，并保持边缘的光滑。因此，按照此机制在用液相法或气相法合成晶须时，常向体系中引入杂质。

2.3 其他生长机制

根据不同的晶须制备方法，其生长机理还会有其他方式，如添加毒化剂限制扩散的液相生长机制、在外场作用下的液相或气相生长、在一定温度梯度场下的蒸发沉积生长（气相沉积）机制等。总之，目前关于晶须的生长理论还不是非常完善与精确，受到其合成原料、制备工艺等的限制。

3氮化硅晶须的结构特点及其物化性能

3.1 结构特点

目前，相对于碳化硅晶须，氮化硅晶须显微结构的研究并不多。氮化硅晶须有2种晶型：α-Si2N3和β-Si2N3。两者都属六方晶系。一般认为α-Si2N3属低温稳定晶型，β-Si2N3属高温稳定晶型。但目前还没有观察到β-Si2N3向α-Si2N3的晶型转变。

在氮化硅晶须生长的过程中，有研究表明其生长具有方向性，且α-Si2N3和β-Si2N3有所差异[3]。α-Si2N3晶须可沿、和方向生长。其中沿方向生长α-Si2N3晶须的一侧有大量的微小结晶体；生长方向为的α-Si2N3晶须的一侧有大量的复合面缺陷；生长方向为的α-Si2N3晶须的中间有芯，两侧有平行于（0001）面的缺陷。β-Si2N3晶须的生长方向为，且晶须中几乎观察不到任何缺陷。

3.2 物化性能[4]

与碳化硅晶须相比，氮化硅晶须具有较高的强度，通常其拉伸强度可达13.8GPa，是碳化硅晶须的5倍。还具有高弹性模量（390GPa）、低膨胀系数和良好的化学稳定性。用氮化硅晶须作为增强体时，晶须性能及要求因基体的不同而不同。

4氮化硅晶须的制备方法

氮化硅晶须的制备方法分气相法、液相法、固相法三种。常用的方法有直接氮化法、化学气相沉积法、碳热还原法、卤化硅气相氨分解法、自蔓延法等。

曹阳等[2]采用等离子体气相反应法制备的无定型氮化硅超细粉末作为原料，通过在1450℃氮气气氛下，2h的热处理，使无定型氮化硅转为α相氮化硅，并生长出α-Si2N3晶须，实验分析证明所得到的α-Si2N3晶须直径为50～200nm，无明显缺陷，其晶体生长方向为。

周建春等[5]采用二氧化碳和石墨为原料分别在1200～1300℃和1250～1400℃流动氮气中制备了α-Si2N3晶须和β-Si2N3晶须。分析发现α-Si2N3晶须表面光滑，有大量缺陷，且有很多分叉晶须；但β-Si2N3晶须的表面光滑，看不到缺陷，分叉的晶须也很少。

Yang W Y等[6]用PTSZ为先驱体制备出梳形和羽毛形的氮化硅晶须，其直径为200～300nm，长度为800～ 1200nm，主干晶须沿向生长，支干晶须沿方向生长。该晶须按照固-液-固机理生长。

5氮化硅晶须的应用现状[4]

晶须强化增韧被认为是解决材料高温韧性的有效方法，既可保持基体材料的主要特色，又通过晶须改善了其性能，而且与连续纤维强化增韧相比，晶须增韧的工艺更为简单，因此，各种先进复合材料对晶须的需要量不断增加。用氮化硅晶须作为增强体时，与碳化硅晶须增强陶瓷基复合材料相类似，复合材料的性能会因基体的不同而不同，也相应就有了不同的用途，广泛应用于航空、航天、机械加工与制造等领域中。

氮化硅晶须与石英玻璃具有良好的物理相容性，其复合材料具有优异的力学性能。采用外加晶须的方法研究氮化硅晶须增强熔石英材料的性能，发现补强后的熔石英材料的热膨胀系数小，具有良好的抗热震性，且热震后的强度较高。但同时又有研究表明氮化硅晶须和石英玻璃在高温下易发生化学反应而使基体严重破坏，妨碍了该材料在高温下的使用。

氮化硅晶须增韧碳化硅陶瓷复合材料中，既保留了碳化硅陶瓷优良的耐高温、抗蠕变、抗氧化、抗化学腐蚀、耐磨等性能，又具有比碳化硅陶瓷更高的强度和韧性，最高使用温度可达1400℃以上，且二者有良好的物理相容性，化学性质相近，界面的结合力较强。但该复合材料界面控制困难，成本高。蔡海荣等[7]利用化学激励燃烧合成了Si2N3/SiC复合粉体，Si2N3形貌以晶须为主，研究表明，加入SiC作稀释剂，可明显降低反应体系的温度，阻止先期生成的Si2N3分解及Si的熔融团聚，有利于反应程度的提高。

氮化硅晶须增韧氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷及玻璃等其它基体的复合材料时，其基体性能都不同程度地得到了改善。氮化硅晶须补强氮化硅陶瓷，由于增强体与基体的同质性，使两者具有很好的物理和化学相容性，材料的复合性能得到较好的发挥[8]。毕玉惠等[9]通过分析粘度、ζ-电位等参数，研究了烧结助剂、分散剂、粘度剂等对含有α-Si2N3晶须陶瓷浆料的粘度的影响，并确定了最佳的工艺参数，制备出具有一定固相含量，流动性和稳定性良好的适合流延工艺的陶瓷浆料。顾建成等[10]采用原位高位生长的方法，利用β-Si2N3增强BAS基体复合材料，发现氮化硅晶须能有效地提高其强度和断裂韧性。

6结 语

晶须作为一种新型的增强材料，因其优良的性能在复合材料中得到了广泛应用。晶须的生长机理研究还不完善，制备技术也有待进一步研究，以提高晶须的产率，适应商品化生产的要求。同时，生产成本也是关注的热点，可从选择廉价的原料入手，促进技术更新，从而充分利用资源，促进晶须增韧复合材料工业的发展。

参考文献

1 Hockin H..K.Xu,Iannet B.Qouglas T.Smith,et al.Effects of different whiskers on the reinforcement of dental resin composites[J].Dental Material,2003(19):359～367

2 曹阳,齐龙浩,潘伟.α-Si2N3晶须的制备与分析[J].硅酸盐通报,2003,5:89～91

3 周延春,常析,周敬等.氮化硅晶须显微结构的研究[J].电子显微学报,1994,2:90～94

4 (日)植村益次等.贾丽霞译.高性能复合材料最新技术[M].北京:中国建筑出版社,1989

5 周延春,陈声崎,夏非.氮化硅晶须的制备与显微结构[J].人工晶体学报,1994,23(2):151～155

6 Yang.W.Y,Zhang.B.l,Zhang.H.R,et al.Growth of platelikeand btanched singler ctystallineSi2N3 whiskers [J].Solid State Communication,2004,132:263～268

7 蔡海荣,田士勇,李江涛等. 化学激励燃烧合成Si2N3/SiC复合粉体的研究[J].硅酸盐学报,2003,31(3):316～319

8 徐永东,张立同,张湛.晶须增强氮化硅陶瓷自生复合材料[J].复合材料学报，1995,12(1):43～49