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先进陶瓷行业市场现状--在新材料领域中具有潜力最全最广分析

作者:众力纳米陶瓷科技 更新时间:2023-08-14 09:28 来源:华安证券 点击数:1425

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1.先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分



陶瓷是以粘土为主要原料,并与其他天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得 的材料以及各种制品,是陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无 机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼、 成形、煅烧而制成的各种制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物,因 此它与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属于“硅酸盐工业”的范畴。
广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料,即无机非金 属材料。陶瓷制品的品种繁多,它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质,以及制 造方法,常常互相接近交错,无明显的界限,而在应用上却有很大的区别。因此,很 难硬性地把它们归纳为几个系统,详细的分类法也说法不一,到现在国际上还没有 一个统一的分类方法。按陶瓷的制备技术和应用领域分类,可分为传统陶瓷材料和 先进陶瓷材料。
传统陶瓷:传统意义上的陶瓷是指以粘土及其天然矿物为原料,经过粉碎 混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品,通常会被称为"普通陶瓷 "或传统陶瓷,例如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷。
先进陶瓷:按化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化 物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为功 能陶瓷和结构陶瓷两大类。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有电气 性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点,主要包括绝缘和介质陶 瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等;结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点。


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1.1 结构陶瓷:极端环境领域最具潜质的优质材料



结构陶瓷凭借其优异的力学性能及热学性能成为陶瓷材料的重要分支,约占整 个陶瓷市场的 30%左右。近二十年来,国家重大工程和尖端技术对陶瓷材料及其制备 技术也提出了更高的要求和挑战:例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的氮化硅陶瓷轴承在低温极端条件下无滑状态下高速运转,要求陶瓷承强度高、初性 好、耐磨损、表面加工精度高;核电站主泵用的大尺寸陶瓷密封环需要长寿命高可靠 性,特别是地球卫星拍摄地面目标的对地监测使用的碳化硅陶瓷反射镜,除了高弹 性模量、低热膨胀系数和轻量化,要求高精度超镜面和大尺寸,这对大尺寸结构陶 瓷材料的成型技术、烧结技术、加工技术都是一个挑战;而光通讯中的光纤连接器陶 瓷插芯,其内孔为 125 微米,并且要求极高的表面光洁度与尺寸精度及同心度。
力学性能方面,高熔点及使用温度范围广奠定了陶瓷材料在结构领域中的应用 基础。有机材料大多是分子键结合,金属材料则以金属键结合为主,陶瓷材料主要 以离子键及共价键结合,因而陶瓷材料熔点相较最高。同时陶瓷材料在承受载荷的 长期使用温度也均稳定在 1000℃以上,相较金属材料中,当前使用温度最高的为高 温合金,其使用温度为 1200℃以下,承受载荷情况时使用温度在 1000℃以上。
此外,高强度及耐磨性能使得陶瓷材料在结构领域选材中脱颖而出。相较有机 材料及金属材料,在相同密度、比刚度及成本情况下,陶瓷材料的强度最强,因而决 定了陶瓷材料可以更好适用于更加苛刻的环境中,此外,经中南工大粉末冶金研究 所测定,陶瓷材料耐磨性相当于锰钢的 266 倍,高铬铸铁的 171.5 倍。
热学性能方面,良好的导热性能、热膨胀性能及抗热震性使得陶瓷材料在许多 应用领域有着金属等其它材料不可替代的地位。相比于有机材料,陶瓷材料及金属 材料的导热性能更好,但在高温情况下,陶瓷材料的热膨胀系数及热应力断裂抵抗 因子低于金属材料,意味着陶瓷材料在高温情况下可以经受住较大的热冲击,是极 端环境中最佳材料。
结构陶瓷材料的致命弱点是脆性。目前结构陶瓷材料的研究及开发已从原先倾 向于单相和高纯度的特点向多相复合的方向发展,其中包括纤维(或者晶须)补强 的陶瓷基复合材料、自补强陶瓷材料及纳米复相陶瓷等等,使得结构陶瓷材料性能 得到了极大的改观。


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1.1.1 氧化物陶瓷



氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优 良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点,良好的电绝缘性能,特别是具有优异的 化学稳定性和抗氧化性,在工程领域已得到了较广泛的应用。按组分可分为单一氧 化物陶瓷(如氧化铝、氧化铍、二氧化钛陶瓷等)及复合氧化物陶瓷(如尖晶石 MgO·Al2O3,莫来石 3Al2O3·2SiO2、锆钛酸铅 PZT 陶瓷等)。



氧化铝陶瓷:发展最早及应用范围最广的结构陶瓷



氧化铝陶瓷制备方面,目前商用的方法有拜耳法、化学法、烧结片状刚玉法及电 熔刚玉法,其中拜耳法应用最为广泛。拜耳法可制备得到纯度为 99.5%的氧化铝粉 末,但主要含有氧化钠等杂质,后化学法出现,可制备出 99.99%纯度的氧化铝高纯 细粉。
应用端,氧化铝陶瓷目前可应用于机械领域耐磨器件、电力领域耐高温绝缘结 构件、半导体领域陶瓷基板等。

氧化锆陶瓷:高性能结构陶瓷增韧是制备的关键

氧化锆的传统应用主要是作为耐火材料、涂层和釉料等的原料,但是随着对氧 化锆陶瓷热力学和电学性能的深入了解,使它有可能作为高性能结构陶瓷和固体电 介质材料而获得广泛应用。特别是随着对氧化锆相变过程深入了解, 在 20 世纪 70 年代出现了氧化锆陶瓷增韧材料,使氧化锆陶瓷材料的力学性能获得了大幅度提高, 尤其是室温韧性高居陶瓷材料榜首。


制备端,增韧是最核心的目标,最常见的方式就是添加稳定剂。二氧化锆都是 由锆砂和斜锆石矿制得。锆砂以硅酸锆(ZrO2·SiO2)为主要成分,斜锆石矿的主要成 分为 ZrO2,含有少量 SiO2、TiO2等杂质。氧化锆的制备以往全都以上述两种天然矿 物为原料,而工程陶瓷用的易烧结性二氧化锆微粉是以这两种天然矿物制备的锆盐 为原料而制造的。氧化铬有三种晶型:立方相(c)、四方相(t)和单斜相(m)。热力学 观点分析表明,纯氧化锆单斜相在 1170℃以下是稳定的,超过此温度转变为四方相, 温度到达 2370℃则转变为立方相,直到 2680-2700℃发生熔化。整个相变过程可逆。当从高温冷却到四方相转变温度时,由于存在相变滞后现象,故大约要在 1050℃左 右,即偏低 100℃才由 t 相转变成 m 相,称之为马氏体相变,与此同时相变会产生 5%-9%的体积膨胀,这一体积变化足以超过 ZrO2晶粒的弹性限度,从而导致材料开 裂。因此从热力学和晶体相变过程来看制备纯 ZrO2 材料几乎是不可能的。为了避免 这一相变,可以来用二价氧化物(CaO,MgO,SrO)和稀土氧化物(Y2O3,CeO2)等的作为 稳定剂与 ZrO2 形成固溶体,生成稳定的立方相结构。不过,这些稳定剂氧化物金属 离子的半径与 Zr4+离子半径相差小于 40%时,才能起到稳定作用。

氧化铍陶瓷:导热系数最大的氧化物陶瓷,但粉末毒性限制了其应用

BeO 是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构,由于 BeO 具有纤锌矿型和强 共价键结构,而且相对分子质量很低,因此,BeO 具有极高的热导率,是氧化铝的 10 倍左右,其室温热导率可达 250W/(m·K),与金属的热导率相当,并且在高温、高频 下,其电气性能、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性俱佳。但 BeO 陶瓷的致命缺点是 其剧毒性,长期吸入 BeO 粉尘会引起中毒甚至危及生命,并会对环境造成污染,这 极大影响了 BeO 陶瓷基片的生产和应用。

氧化镁陶瓷:现代冶金行业的关键材料

氧化镁陶瓷是典型的新型陶瓷,也属于传统的耐火材料。氧化镁本身对碱性金 属溶液有较强的抗侵蚀能力,制备的氧化镁陶瓷坩埚具有优异的化学性能和抵抗金 属侵蚀的稳定性,与镁、镍、铀、铝、钼等不起作用。在氧化气氛或氮气保护下氧化 镁陶瓷可稳定工作到 2400℃,因此氧化镁是现代冶金工业先进工艺中的关键材料。
制备方面,原材料源于矿物或海水,烧结过程需加入添加剂调节性能。自然界 中含镁的化合物很丰富,它以多种矿物形式存在于地壳和海洋之中,如菱镁矿、白 云石、水镁石、滑石等。工业上主要从上述矿物中提取 MgO,近来发展从海水中提取。从矿物或海水中提取 MgO,大多先制成氢氧化镁或碳酸镁,然后经煅烧分解成 MgO, 将这种 MgO 通过进一步化学处理或热处理可得到高纯 MgO。制备时对 MgO 原料进行 处理后,按组成进行配料。为了促进烧结以及能使晶粒稍微长大些,同时为了减少 制备的水化倾向,可加入一些添加剂,如 TiO2、Al2O3、V2O3等。如果要求具有高纯度 的 MgO 陶瓷,就不能采用加入添加剂的方法来促进烧结和晶粒长大,而是采用活化 烧结的方法,即将 Mg(OH)2 在适当温度下煅烧,得到具有很多晶格缺陷的活性 MgO, 用以制造烧结氧化镁陶瓷。
应用端,氧化镁陶瓷理论使用温度高达 2200℃,可在 1600℃~1800℃长期使用。其高温稳定性及耐腐蚀性能均优于氧化铝陶瓷,且与 Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、 Mg、Cu、Pt 等都不起作用,所以其应用范围可包括:钢铁、玻璃等冶炼行业中腐蚀 性条件下的坩埚或者其他耐火材料。MgO 陶瓷可用作冶炼金属的坩埚,在原子能工业 中也适于冶炼高纯度的铀和钍;还可用作热电偶保护套管。利用它能使电磁波通过 的性质,作雷达罩及红外辐射的投射窗口材料等、冶炼金属、合金,如镍合金、放射 性金属铀、钍合金、铁及其合金等的坩埚。压电、超导材料等的原料,并且无污染、 耐铅腐蚀等;亦可做陶瓷烧结载体,特别是β-Al2O3等高温下有腐蚀性、挥发性物质 的陶瓷产品的烧结保护。(报告来源:未来智库)

莫来石:铝硅酸盐组成的矿物统称
莫来石是一种优质的耐火原料,这一类矿物比较稀少。莫来石是铝硅酸盐在高 温下生成的矿物,人工加热铝硅酸盐时会形成莫来石。天然的莫来石晶体为细长的 针状且呈放射簇状。莫来石矿被用来生产高温耐火材料。C/C复合材料中多作为 热障涂层,应用广泛。莫来石 AI2O3-SiO2元系中常压下稳定的二元固溶体,化学式为 AI2O3-SiO2的天然莫来石非常少,通常烧结法或电熔法等人工合成。

高温工业大规模使用的莫来石按其制备方法分为电熔莫来石和烧结莫来石两大 类。莫来石是一种优质的耐火材料。最早在苏格兰的莫尔岛被发现而被命名。莫来 石的铝和硅的成分是一个范围,其 在常温常压下能够稳定存在。天然的莫来石比较 稀少,通常是通过对铝硅系化合物进行热处理后制备莫来石。莫来石的合成可分为 固相合成(包括传统的溶胶-凝胶(SSG)工艺),液态合成和气态合成。固态合成和液 态合成的莫来石根据加热处理的温度和铝硅的组成,可以被分为烧结莫来石和熔融 莫来石。烧结莫来石是指将合成莫来石的原料加热到生成少量液相的温度,促进烧 结又不影响其固相烧结,继而保温,使莫来石结晶并发育长大,形成所需要的莫来 石形貌和结构。而熔融莫来石则是将氧化铝和二氧化硅的混合物加热到莫来石熔点 以上,在冷却过程中结晶形成的莫来石。溶胶凝胶法制备莫来石也被称为化学莫来 石,是由化学反应、热分解和莫来石化得到的莫来石,这种方法所制备的莫来石其 性能高度依赖于化合物的纯度、均匀性、结晶温度以及致密度等条件。


1.1.2氮化物陶瓷

氮化物陶瓷具有良好的力学、化学、电学、热学及高温物理性能,在冶金、航空、 化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。但许多由氮元素和金属元 素构成的氮化物在高温下不稳定,易氧化,因而在自然界不能自由存在,只能靠人 工合成。目前主要合成氮化物可分为氮化硼,氮化铝,氮化硅等共价结合型。

氮化硅陶瓷:先进陶瓷中综合性能最好的材料之一

它 的电学、热学和机械性质十分优良,在氧化气氛中可使用到 1400℃,在中性或还原 性气氛中可使用到 1850℃。它既突出了一般陶瓷材料的坚硬、耐热、耐磨、耐腐蚀 的优点,又具备了抗热震好、耐高温蠕变、自润滑好、化学稳定性能佳等优势,还具 有相对较低的密度以及低的介电常数、介电损耗等优良的介电性能。


氮化硅分子量 140.28,按重量百分比,其中硅占 60.28%,氮占 39.94%。两种元 素电负性相近,氮化硅晶体中 Si-N 之间以共价键结合为主 (其中离子键仅占 30%), 键合强度高。氮化硅没有熔点,在常压下于 1870°C 升华分解,具有高的蒸汽压和 很低的扩散系数。Si 原子与 N 原子以键强很强的共价键结合,导致氮化硅高强度、 高硬度、耐高温、绝缘等性能。因为 Si 原子与 N 原子之间强共价键,高温下原子扩 散很慢,所以烧结过程中需加入高温形成液相的添加剂促进扩散,加快烧结致密。


氮化硅陶瓷的性能与烧结方法密切相关。氮化硅的高温力学性能在很大程度上 取决于晶界玻璃相。为了改善氮化硅的烧结性能在原料中加入烧结助剂,高温时烧 结助剂形成玻璃相,冷却后玻璃相存在于晶界处,必须经过晶界工程处理才能保持 和发挥氮化硅的这一高温特性,否则晶界玻璃相在高温下软化造成晶界滑移,对高 温强度、蠕变和静态疲劳中的缓慢裂纹扩展都有很大的影响,晶界滑移速度同玻璃 相的性质(如粘度等)、数量及分布有关。


应用端,Si3N4 陶瓷是一种重要的结构材料,它是一种超硬物质,本身具有润滑 性,并且耐磨损;除氢氟酸外,它不与其他无机酸反应,抗腐蚀能力强,高温时抗氧 化. 而且它还能抵抗冷热冲击,在空气中加热到 1000℃以上,急剧冷却再急剧加热, 也不会碎裂.正是由于Si3N4陶瓷具有如此优异的特性,人们常常利用它来制造轴承、 气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。其中,利用 Si3N4 重量轻和刚度 大的特点,可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度,产生热量少,而且 能在较高的温度和腐蚀性介质中操作。用 Si3N4陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热 等特性,用于 650℃锅炉几个月后无明显损坏,而其它耐热耐蚀合金钢喷嘴在同样条 件下只能使用 1-2 个月。


氮化铝陶瓷:微电子工业电路基板及封装的理想结构材料

氮化铝(AlN)作为一种新型陶瓷材料,是近年来新材料领域的研究热点之一。虽 然早在一百多年前,AlN 粉末便被合成制得,但由于它固有的难于烧结的缺点,在随 后的几十年中,有关 AlN 的研究并不多,本世纪五十年代,AlN 陶瓷才被第一次制 得,但当时强度很低,限制了其工业应用。至七十年代,致密的氮化铝陶瓷得以制 备,其优良的热传导性、可靠的电绝缘性、耐高温、耐腐蚀、低的介电常数以及与硅 相匹配的热膨胀系数等一系列优良特点才显现出来。尤其是近些年来,随着微电子 技术的迅速发展,电子器件日趋多功能、小型化、高集成度大功率的电子器件工作 时产生大量热量,为了避免电子器件因过热而失效,需要采用具有高热导率的基片 将热量带带。AlN 具有优良的导热性能,是新一代基片的理想材料,在电子工业中的 应用前景十分广阔,其优良的高温耐蚀性、高温稳定性、较高的强度和硬度,使其在 高温结构材料方面的应用也很有潜力。



氮化铝作为共价键化合物,难以进行固相烧结,通常采用液相烧结机制,即向 氮化铝原料粉末中加入能够生成液相的烧结助剂,并通过溶解产生液相,促进烧结。
作为一种人工合成的材料,氮化铝陶瓷的制备过程通常是先合成氮化铝粉体,再将 得到的粉体烧结制备成陶瓷。由于氮化铝中的铝-氮键(Al-N)具有较高的共价键成 分,所以氮化铝的熔点高,自扩散系数小,烧结活性低,因此是一种难烧结的陶瓷材 料。据中国粉体网编辑了解,当氮化铝粉体纯度较高时,非常难以通过烧结达到完 全致密,在陶瓷晶粒中或晶界处均有气孔存在,这极大地限制了氮化铝陶瓷的实际 应用。引入合适的烧结助剂,一方面可以与 AlN 表面氧化形成的 Al2O3反应生成较低 熔点的第二相,由于液相表面的张力作用,促进 AlN 晶粒的重排,加速烧结体致密 化进程。另一方面形成的第二相冷却后,淀析凝结在晶界上,减少了高温下氧进入 晶格的可能,起到净化晶格,提高热导率的作用。目前常用的烧结助剂主要为氧化 物和氟化物,氧化物主要为 Y2O3,Sm2O3,La2O3,Dy2O3,CaO;而氟化物有 CaF2,YF3等。其中 Y2O3驱氧能力强,稳定性好等综合性能优越,成为最常用的烧结助剂;而 CaO 由 于液相形成温度较低,在低温烧结中的作用比较明显。
应用端,氮化铝陶瓷室温比较强度高,且不易受温度变化影响,同时具有比较 高的热导系数和比较低的热膨胀系数,是一种优良的耐热冲材料及热交换材料,作 为热交换材料,可望应用于燃气轮机的热交换器上。此外,氮化铝陶瓷是一种高温 耐热材料,其热导率高,较氧化铝陶瓷高 5 倍以上,膨胀系数低,与硅性能一致。使用氮化铝陶瓷为主要原材料制造而成的基板,具有高热导率、低膨胀系数、高强 度、耐腐蚀、电性能优、光传输性好等优异特性,是理想的大规模集成电路散热基板 和封装材料。随着电子信息产业技术不断升级,PCB 基板小型化、功能集成化成为趋 势,市场对散热基板与封装材料的散热性与耐高温性要求不断提升,性能相对普通 的基板材料难以满足市场需求,氮化铝陶瓷基板行业发展迎来机遇。

氮化硼陶瓷:陶瓷材料中的软质陶瓷,机械加工性能好

氮化硼问世于 100 多年前,最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼[简称:h—BN,或 a—BN,或 g—BN(即石墨型氮化硼)],h—BN 不仅结构而且其性能也与石 墨极为相似,且自身洁白,所以俗称白石墨。氮化硼(BN)陶瓷是早在 1842 年被人 发现的化合物。国外对 BN 材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作,直到 1955 年解决了 BN 热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投 入了生产,1960 年已生产 10 吨以上。1957 年 R·H·Wentrof 率先试制成功 CBN, 1969 年美国通用电气公司以商品 Borazon 销售,1973 年美国宣布制成 CBN 刀具。1975 年日本从美国引进技术也制备了 CBN 刀具。1979 年 Sokolowski 首次成功采用 脉冲等离子体技术在低温低压制备 c—BN 薄膜。20 世纪 90 年代末,人们已能够 运用多种物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的方法制备 c—BN 薄膜。它有良 好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度,是理想的散热材料和高温绝缘材 料。氮化硼的化学稳定性好,能抵抗大部分熔融金属的浸蚀。它也有很好的自润滑 性。氮化硼制品的硬度低,可进行机械加工,精度为 1/100mm。
制备端,共价键化合物一般采取添加烧结助剂的办法,BN 常用的烧结助剂有 B2O3、 Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3等。目前氮化硼粉体的制备方法有很多,根据其原理大致可 以分为两大类:其中一类是合成法,主要有高温合成法、溶剂热合成法、模板法和化 学气相沉积法(CVD)等;而另一类是剥离法,包括液相超声剥离法、激光蚀刻剥离法、 机械球磨法等。随着对氮化硼的研究不断深入,一些纳米结构的氮化硼的性质逐渐 被发现。一方面纳米粉体比表面能高,烧结活性高,可以有效地促进 h-BN 陶瓷的致 密化;另一方面,以纳米粉体作为原料,可以降低烧结温度,减小陶瓷烧结体晶粒尺 寸,提高陶瓷的韧性,增强 h-BN 陶瓷的力学性能,为 h-BN 陶瓷工业化大规模应用 奠定基础。
应用端,氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热 绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具等。通常制得的氮化硼是石墨型 结构,俗称为白色石墨。另一种是金刚石型,和石墨转变为金刚石的原理类似,石墨 型氮化硼在高温(1800℃)、高压(800Mpa)下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼 中 B-N 键长(156pm)与金刚石在 C-C 键长(154pm)相似,密度也和金刚石相近, 它的硬度和金刚石不相上下,而耐热性比金刚石好,是新型耐高温的超硬材料,用 于制作钻头、磨具和切割工具。

赛隆陶瓷:陶瓷材料中的软质陶瓷,机械加工性能好

赛隆(sialon)是由 Si、Al、O、N 四种元素的合成词,音译为“赛隆”。赛隆陶 瓷是 Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2 系列化合物的总称,是在 Si3N4 陶瓷基础上开发出的一种 Si-N-O-Al 致密多晶氮化物陶瓷,由 Al2O3中的 Al 原子和 O 原子部分置换 Si3N4中的 Si 原子和 N 原子形成。赛隆陶瓷由日本的 Oyama 和 Kamigaito(1971 年)及英国的 Jack 和 Wilson(1972 年)发现,他们在对氮化硅陶瓷各种添加剂的研究中发现了金 属氮化物中的固溶体,即在 SiO2-Al2O3系统中发现了 Si3N4的固溶体,这能有效地促 进烧结,从而发现了 sialon(赛隆)。赛隆陶瓷的主要类别有β’-sialon、α’- sialon、O’-sialon 三种,尤其以前两种最为常见。
制备端,在制备赛隆陶瓷时应选择超细、高α相的 Si3N4粉末,采用适当的工艺 措施控制其晶界相的组成和结构,才能获得性能优异的材料。由于赛隆陶瓷有很宽 的固溶范围,可通过调整固溶体的组分比例按预定性能对赛隆陶瓷进行组成设计,通过添加剂加入量的适当调节可以得到最佳α-sialon 和β-sialon 的比例,获得最 佳强度和硬度配合的材料。赛隆陶瓷通常采用无压烧结或热压烧结,在 1600-1800℃ 的惰性气氛中烧结,可获得接近理论密度的赛隆陶瓷烧结体,主要的添加剂为 MgO、 Al2O3、AlN、SiO2等。同时,添加 Y2O3、Al2O3能获得强度很高的赛隆陶瓷。此外,加 入 Y2O3可降低赛隆陶瓷的烧结温度。常压烧结赛隆陶瓷的制造工艺是将 Si3N4粉与适 量的 Al2O3粉及 AlN 粉共同混合,成型之后在 1700℃的 N2气氛中烧结。固溶体的性 质随其组成和处理温度而异。
应用端,赛隆陶瓷作为一种性能优异的新型高温结构陶瓷,在军事工业、航空 航天工业、机械工业和电子工业等方面都有广阔的应用前景。赛隆陶瓷硬度高、耐磨性能好,已在机械工业上用于制造轴承、密封件、焊接套筒和定位销及磨损件等。赛隆陶瓷还可以用作连铸用的分流换、热电偶保护套管、晶体生长器、坩埚、高炉下 部内衬、铜铝合金管拉拔芯棒,以及滚轧、挤压和压铸用模具材料。赛隆陶瓷还可以 用来制作切削工具,其热硬性优于 WC-Co 硬质合金和氧化铝,刀尖温度大于 1000℃ 时仍可进行高速切削。塞隆陶瓷还可制作透明陶瓷(高压钠灯灯管、高温红外测温 仪窗口),以及用作生物陶瓷、制作人工关节等。