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日本开发耐热温度为1500℃的氮化硅陶瓷

来源:(张烨译) 日期:2004-06-04 加入收藏
日本物质材料研究机构“新世纪耐热材料项目”的陶瓷研究小组,开发出具有世界最高耐热温度(1500℃)的氮化硅(Si3N4)陶瓷材料。通常氮化硅材料的耐热温度为1200℃,迄今耐热温度最高的是在日本通商产业省陶瓷燃气轮机项目中开发的耐1350℃的材料。

  本次开发的材料的制造方法是:在Si3N4粉末中添加1%的镥(Lu)系助剂,然后在10个大气压的氮气中以1950℃进行1小时的热压烧结。在1500℃和137MPa的拉应力下,对该材料进行蠕变试验,试验结果表明该材料在1400小时以上不断裂。而同样的镥系材料,晶界相为5%时,材料在125小时就断裂了。由此可知,用新开发的材料制作的燃气轮机的耐热温度为1500℃。

  该陶瓷研究小组通过添加易使晶界结晶的烧结助剂,对晶界结晶相的高温稳定性进行了研究,发现镥(Lu)系氮氧化物结晶(Lu4Si2O7N2)形成耐热性优异的晶界相。另外还发现,当晶界相的量为1%,比通常的5%低时,不易发生蠕变变形。这样,通过严格控制晶界相的量和组成,开发出新的Si3N4陶瓷材料。

  材料开发的关键是:①使用高熔点镥系助剂;②在晶界相析出氮氧化物结晶;③减少晶界相的量。镥是稀土元素中原子序数最大的元素,液相生成温度也比较高,因此,比通常的钇系助剂耐热性高。通常的氮化硅的晶界为玻璃相,各种晶界相耐热性为玻璃相<氧化物结晶<氮氧化物结晶。减少晶界相的量,可减少高温下的变形量。

  但是,在致密性这一问题上,上述3点都很难使氮化硅粉末致密。因此通过在高压氮气中烧结,使用热压法,弥补了烧结性差的缺陷,成功地制成了致密性好且强度高的材料。

  这种耐热陶瓷材料有望用于高温下无冷却的高温燃烧涡轮的静止零部件和小型涡轮叶片。可为将来的无冷却热电供给系统的开发提供帮助。

 

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