高温陶瓷材料氮化硅的特性

氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。然后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，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，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和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。氮化硅陶瓷可做燃气轮机的燃烧室、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门、永久性模具、钢水分离环等。氮化硅摩擦系数小的特点特别适合制作为高温轴承使用，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。利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速启动汽车。氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，作为导弹和飞机的雷达天线罩，可在６个马赫甚至７个马赫的飞行速度下使用。

对于Si3N4以及Sialon陶瓷烧结体，现已提供了一种不用形成复合材料而保持单一状态的、利用超塑性进行成型的工艺，并提供了一种根据该工艺成型出的烧结体。把相对密度在９５％以上、线密度对于烧结体的二维横截面上的５０μm的长度在１２０～２５０范围内的氮化硅及Sialon烧结体；在１３００～１７００℃的温度下通过拉伸或压缩作用使其在小于１０-1／秒的应变速率下发生塑性形变从而进行成型。成型后的烧结体特别在常温下具有优异的机械性能

超高温滤料的特性及特征？

超高温滤料在本书指耐高温超过280℃的工业除尘滤料。
1.陶瓷纤维滤料
1）技术性能 陶瓷纤维技术性能见表




早期的硅铝陶瓷纤维酮传统的纺织和无纺纤维一样做成滤料。20世纪70年代研制出陶瓷纺织纤维，纤维成分含铝、硼和硅。经过近30年的不断改进，其新一代陶瓷纺织纤维滤袋可承受近800℃的高温。目前，陶瓷纺织纤维滤袋已在许多高温烟气净化中使用。尽管陶瓷纺织纤维滤袋在性能上有很大改进，但这种陶瓷滤料的最大问题是纤维很脆，易断。
2）制造方法
①化学气相反应（CVR）法。它是以B2O3为原料，经熔纺制成B2O3在于较低浓度氨气中加热，使B2O3与氨气反应生成硼氨中间化合物，再将这种晶型不稳定的纤维在张力下进一步在氨气或氨气与氮的混合气中加热至1800℃，使之转换为BN纤维，其强度可高达2.1GPa,模量345GPa。
②化学气相沉积（CVD）法。即将钨芯硼纤维氮化而成，首先将硼纤维加热至560℃进行氧化，再将氧化纤维置于氨中加热至1000-1400℃，反应约6h即可制得BN纤维。
③有机前躯体法。由聚硼氮烷熔融纺丝制成纤维后，进行交联，生产不熔化的纤维，再经裂解制成纤维。
Si3N4纤维有两种制法：一是以氯硅烷和六甲基二硅氮为起始原料，先合成稳定的氢化聚硅氮烷，经熔融纺丝制成纤维，再经不熔化和烧制而得Si3N4纤维；二是以吡啶和二氯硅烷为原料，在惰性气体保护下反应生成白色的固体加成物，再在氮气中进行氨解得到全氰聚硅氮烷，再于烃类有机溶剂中溶解配成纺丝溶液，经干法纺丝制成纤维，然后在惰性气体或氨气中于1100-1200℃温度下进行热处理而得氮化硅纤维。
SiBN3C纤维也是采用聚合前躯体法生产的，是最新陶瓷纤维，起始原料为聚硅氮烷，经熔融纺丝、交联、不熔化和裂解后而得纤维产品。
SiO2纤维主要是通过与制备高硅氧玻璃纤维一样的工艺制得的，先制成玻璃料块，再进行二次熔化，用铂金坩埚拉丝进行熔融纺丝，温度约1150℃，得到纤维或进一步加工成织物等成品后用热盐酸处理，除掉B2O3 HNa2O成分，在烧结使纤维中SiO2的质量分数达到95%-100%，另外，还有以SiO2为原料，配置成高粘度的溶胶后进行纺丝，得到前躯体纤维，再加热至1000℃，便可制得纯度为99.999%的石英纤维。此外，还可用石英棒或管用氢氧焰熔融拉成粗纤维，再以恒定速度通过氢氧焰或煤气火焰高速拉成直径为4-10μm的连续纤维，SiO2含量为99.9%。
2.玄武岩纤维滤料
玄武岩滤料主要有SiO2、AI2O、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2等多种氧化物陶瓷成分组成。
1）技术性能  玄武岩纤维的密度2.65g/cm³，拉伸强度4100-45000MPa，研制强度可达4840MPa，模量为225GPa，皆优于E-玻纤和S-玻纤，软化点960℃，最高使用温度为900℃，在70℃的温水中其强度可保持1200h，而一般玻纤只有200h，伸长率3.1%，单丝直径为7-17μm，热导率为0.031-0.038W/(M*K),烧结温度1050℃，在400℃下的强度保持率为82%，电阻率为1*1012Ω*cm，介电损耗角正切（在1MHz频率下）为0.05，比E-玻纤低50%，耐热介电性能极好，耐酸、碱性也比玻纤号，隔热、隔声性能也好，对电磁波可反射或吸收，屏蔽性好。与树脂复合时，其黏合强度比玻璃纤维和碳纤维高，可以与碳纤维制成混杂复合材料，使其抗拉强度、模量和其他性能都得到明显提高。其耐高温、耐燃性优良，过滤讲话特性突出。玄武岩针刺毡性能如表





2）制造方法 首先将玄武岩矿石破碎至50mm大小，然后将它投入专用的池窖中，在1450-1500℃温度下熔融，再将熔融导入熔融槽并用铂铑喷丝板纺成直径9-15μm、长度无限的玄武岩连续长丝，每次可制成200-400条细丝，冷却后在细丝上涂覆油剂，以保持其柔软性，然后将该长丝在收丝机上，摆丝并制成所要求线密度的丝束，干燥后经质检、包装而得连续长丝产品。若要生产短切纤维，则将丝束切断成所需长度的短纤成品。此外，还可通过熔喷法生产超细的玄武岩非织造布。

3.热塑成形滤料
将聚合物热压成单孔型过滤元件，再涂以特殊材料而成滤料。波浪形塑烧版是几种高分子化合物粉体经过铸形、烧结形成一个多孔母体，然后对母体表面进行特殊处理，在其表面形成一层微孔氟化物树脂。塑烧板除尘器具有以下特点：①可在较高进口粉尘浓度下使用，捕尘效率高，对过滤风速2m/min以下的粉尘捕集效率可搞到99.99%；②压力损失稳定，由于塑烧板表面黏合一层氟化物树脂，表面不沾灰，粉尘很难进入塑烧版内部，所以压力损失随工作时间变化小，其阻力可控在1500Pa左右；③具有较好的疏水性和疏油性，在气体含湿量大或粉尘潮湿的状态下也可以连续稳定运行；④塑烧板表面结构形成波浪形，使同等体积下的过滤面积大，每片过滤面积达9㎡，从而使得除尘器整天结构紧凑，设备小型化，大大节省空间；⑤烧结成形的塑烧板，具有较强的刚性，维护工作量小，寿命长。
4.多孔陶瓷滤料
多孔陶瓷滤料是以耐火原料为骨料，配以黏合剂等经过高温烧结而制成的过滤材料，其内部具有大量贯通的可控孔径的细微气孔。陶瓷滤料具有耐高温、耐高压、耐酸碱腐蚀等特点，此外还具有孔径均匀、透气性好的优点，因此，可广泛用作过滤、分离、布气和消声材料。但陶瓷滤料性脆易碎，容易产生应力，不适合用于气体温度骤冷骤热的场合。
5.金属纤维滤料
金属纤维毡采用直径为微米级的金属纤维经无纺铺制、叠配及高温烧结而成，多层金属纤维毡由不同孔径层形成孔径梯度，可控制得到极高的过滤精度和较单层毡更大的纳污容量。金属纤维毡产品孔径分布均匀，具有渗透性好、强度高、耐腐蚀、耐高温、可折叠、可再生、寿命长等特点，是适合于在高温、高压和腐蚀环境中使用的新一代的高效金属过滤材料。金属纤维和金属纤维毡的性能分别见下表



采用金属纤维可达到与通常织物滤料相同的过滤性能，阻力小，清灰容易。能够用于高粉尘负荷和较高的过滤速度。
此外金属纤维滤料还有防静电、抗放射辐射的性能，寿命也较一般纤维长。但金属纤维滤料的造价高，只能在特殊情况下采用。