陶瓷加工難怎么辦，整點(diǎn)氮化硼？

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)陶瓷材料因具有較高的力學(xué)、抗氧化、絕緣、導(dǎo)熱等優(yōu)秀性能被用于制成各種產(chǎn)品及零部件，但隨之而來(lái)的“加工難”也讓許多生產(chǎn)企業(yè)頭疼。

精密加工陶瓷件

之所以產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題，根本原因是先進(jìn)陶瓷具有較高的硬度而且脆性較大，因此可加工性能較差。但先進(jìn)陶瓷具備那么多優(yōu)勢(shì)，總不能因噎廢食，因此為了改善陶瓷材料的可加工性，就有了這種解決方式——向陶瓷材料中加入六方氮化硼相制備可加工復(fù)相陶瓷。

一、為什么選擇氮化硼？

氮化硼(boron nitride，BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)組成一種重要的III.V族化合物，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，主有兩種晶型：立方氮化硼和六方氮化硼。

其中，六方氮化硼因有著類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，也被稱為“白石墨”，質(zhì)軟，具有優(yōu)秀的熱導(dǎo)率和絕緣特性。以它制成的陶瓷制品由于硬度低（莫氏強(qiáng)度2），因此可進(jìn)行精度為1/100mm的機(jī)械加工——這就是向陶瓷材料中加入六方氮化硼可提高其加工性能的主要原因。

二、氮化硼復(fù)相陶瓷的制備工藝

按照可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷中氮化硼的來(lái)源，可將氮化硼系復(fù)相陶瓷的制備方法分為直接混合法，前驅(qū)體化學(xué)預(yù)引入法，原位反應(yīng)合成法和前驅(qū)體浸漬熱解法。

①直接混合法是直接將氮化硼粉末與陶瓷粉末相混合制成復(fù)合粉末，經(jīng)成型工藝和經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷。由于這種方法引入的六方氮化硼粉末一般為微米級(jí)的粉末，采用這種方法制備的復(fù)合材料稱為微米級(jí)氮化硼系復(fù)相陶瓷。

②前驅(qū)體化學(xué)預(yù)引入法是先將氮化硼的前驅(qū)體與陶瓷粉末相混合，通過(guò)高溫?zé)峤夥磻?yīng)生成納米尺寸的氮化硼顆粒包覆在陶瓷顆粒表面，再將所得的復(fù)合粉末經(jīng)過(guò)成型工藝，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備成氮化硼系復(fù)相陶瓷。由于采用該方法在陶瓷中引入的六方氮化硼為納米尺寸，所以制備出具有納米結(jié)構(gòu)的氮化硼系復(fù)相陶瓷。

③原位反應(yīng)合成法采用含硼元素的化合物與含氮元素的化合物相混合，在高溫下兩種化合物中的硼元素和氮元素發(fā)生反應(yīng)生成六方氮化硼，其他元素發(fā)生反應(yīng)生成另一種陶瓷組元。原位反應(yīng)法是通過(guò)化合物之間的反應(yīng)生成六方氮化硼和陶瓷材料最終通過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備氮化硼系復(fù)相陶瓷。

④前驅(qū)體浸漬熱解法是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種向陶瓷材料中引入六方氮化硼的新工藝，其基本工藝是先制備陶瓷坯體，將液態(tài)的前驅(qū)體或者前驅(qū)體溶液通過(guò)真空浸漬的方式引入陶瓷坯體，然后加熱使前驅(qū)體熱解轉(zhuǎn)變?yōu)榱降鸫嬖谟谔沾膳黧w中，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制備氮化硼系復(fù)相陶瓷。

三、可選擇的基體

需要氮化硼加入來(lái)改善加工性及韌性的，一般都是硬度較大的陶瓷材料，如SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、ZrO₂和AlN等。通過(guò)加入具有層狀結(jié)構(gòu)的h-BN作為彌散相，控制一定的組成及工藝，可使得高強(qiáng)度陶瓷獲得良好的可加工性能。

氧化鋁是一種非常受歡迎的陶瓷材料，由于硬度較高所以精細(xì)加工也是相對(duì)困難。為了改善氧化鋁陶瓷的可加工性能，向氧化鋁基體中加入h-BN制備出Al₂O₃/BN復(fù)相陶瓷，就可起到顯著效果。

此外將h-BN加入氧化鋁陶瓷中，還可增強(qiáng)其耐火性能。通常情況下氧化鋁陶瓷中會(huì)加入鱗片石墨等碳材料提高其抗熱震性能和抗渣性，但在鋼鐵精煉系統(tǒng)使用時(shí)，會(huì)帶來(lái)諸如熱能損失、鋼水增碳和氧化嚴(yán)重等問(wèn)題。h-BN具有熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，機(jī)械加工性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)鋼水的不潤(rùn)濕性和耐熔蝕性，與氧化鋁復(fù)合制備的耐火材料具有更好的抗熱震性和抗氧化性，同時(shí)抗渣性相當(dāng)。

氧化鋯陶瓷是一種常見(jiàn)的先進(jìn)陶瓷，在硬度，斷裂韌性和耐腐蝕性方面均具有優(yōu)異的性能，但可加工性能較差。向氧化鋯基體中加入h-BN制備出ZrO?/BN復(fù)相陶瓷，從而可以顯著的改善氧化鋯陶瓷的可加工性能。

例如在牙科陶瓷領(lǐng)域，全燒結(jié)氧化鋯瓷塊的可加工性差，銑削工具磨損嚴(yán)重，研磨過(guò)程中易產(chǎn)生機(jī)械及熱誘導(dǎo)裂紋，生產(chǎn)精確復(fù)雜的修復(fù)體形態(tài)十分困難，加工過(guò)程中往往需先使用預(yù)燒結(jié)瓷塊形成預(yù)定形態(tài)后再進(jìn)行全燒結(jié)。由于預(yù)燒結(jié)坯體在燒結(jié)過(guò)程中有30%～40%的體積收縮，不可避免地產(chǎn)生形態(tài)變化，最終影響修復(fù)體精度，特別是跨度較長(zhǎng)的橋體這種改變將更為顯著。但若加入具有層狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料，如h-BN，就能較易被切割和鉆孔。

碳化硅陶瓷具有高的彈性模量和比剛度，不易變形，并且具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，熱穩(wěn)定性高，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。但是，由于碳化硅是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大。

Yang等研究了原位復(fù)合工藝制備的SiC-BN復(fù)合材料的抗熱震性能。使用氮化硅，硼化物和碳為原料通過(guò)原位合成制備SiC-BN復(fù)合陶瓷。原位合成SiC-BN復(fù)合陶瓷的抗熱震性能是由經(jīng)過(guò)不同溫度差高達(dá)1100℃測(cè)量SiC-BN復(fù)合陶瓷經(jīng)過(guò)熱震實(shí)驗(yàn)后的強(qiáng)度保留率，并與單相SiC陶瓷的抗熱震性能進(jìn)行比較。單相SiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度在900℃以上迅速下降，而SiC-BN復(fù)合材料在1100℃表現(xiàn)出不變的彎曲強(qiáng)度，顯示SiC-BN復(fù)合陶瓷的抗熱震性能有很大改善。

氮化硅陶瓷集合了許多材料的優(yōu)良特性，包括高斷裂韌性、極高的抗彎強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)，具有出色的抗熱震性，它密度低，硬度高，還具有高耐磨性，但因?yàn)榫C合性能太強(qiáng)導(dǎo)致可加工性能較差。

Li等研究了通過(guò)放電等離子燒結(jié)工藝制備出可加工Si₃N₄-BN復(fù)相陶瓷，也能保持相當(dāng)高的抗彎強(qiáng)度，隨著六方氮化硼含量的增加，Si₃N₄/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度逐漸下降。對(duì)于給定氮化硼含量的條件下，化學(xué)反應(yīng)法制備的Si₃N₄/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度相對(duì)于粉末混合法制備的Si₃N₄/BN復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度得到顯著的增強(qiáng)。其中氮化硼含量高達(dá)30vol%時(shí)的Si₃N₄-BN復(fù)相陶瓷都可以采用碳化鎢鉆削工具進(jìn)行機(jī)械加工。

氮化鋁陶瓷具有高的熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)良性能，是理想的半導(dǎo)體基片材料和大功率電子器件的封裝材料。與大多數(shù)陶瓷材料一樣，由于氮化鋁在燒結(jié)后難以機(jī)械加工的固有缺陷，很難制備出一些具有復(fù)雜形狀和小體積的氮化鋁陶瓷部件，很難滿足器件小型化趨勢(shì)下的應(yīng)用要求。

氮化鋁陶瓷基板

但加入h-BN后的復(fù)相陶瓷材料能夠提高其綜合性能，不僅具有出色的高溫耐蝕性、抗熱震性，以及低模量和能夠用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行精密機(jī)械加工，滿足復(fù)雜形狀構(gòu)件對(duì)材料成型的苛刻要求。除此之外，因h-BN具有出色的熱導(dǎo)率（雖不及氮化鋁，也能夠達(dá)到40-60W/m·K），所以當(dāng)?shù)X基體中引入適量的h-BN，可以較好地兼顧熱導(dǎo)性和可加工性。

四、總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)加工相h-BN顆粒均勻地分布在陶瓷基體中，就能使得復(fù)相陶瓷變得容易進(jìn)行機(jī)械加工。但是由于在陶瓷基體中加入一定量的h-BN相后，由于可加工h-BN相的力學(xué)性能較低，將h-BN相加入到陶瓷基體中將會(huì)降低氮化硼系復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能，所以可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能都是隨著h-BN相含量的增加而逐漸降低。

但同時(shí)，由于h-BN材料具有較高的抗熱震性能和抗氧化性，所以也能使得可加工氮化硼系復(fù)相陶瓷具有更好的抗熱震性能以及較高的抗高溫氧化性能，因此最終還是要視應(yīng)用的具體工況來(lái)確定是否應(yīng)制成復(fù)合陶瓷材料。