陶瓷加工難怎么辦，整點氮化硼？

隨著工程技術的發展，越來越多的先進陶瓷材料因具有較高的力學、抗氧化、絕緣、導熱等優秀性能被用于制成各種產品及零部件，但隨之而來的“加工難”也讓許多生產企業頭疼。

精密加工陶瓷件

之所以產生這個問題，根本原因是先進陶瓷具有較高的硬度而且脆性較大，因此可加工性能較差。但先進陶瓷具備那么多優勢，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、高熱導率、抗氧化性等優異的物理化學性能，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構和晶格參數，也被稱為“白石墨”，質軟，具有優秀的熱導率和絕緣特性。以它制成的陶瓷制品由于硬度低（莫氏強度2），因此可進行精度為1/100mm的機械加工——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、氮化硼復相陶瓷的制備工藝

按照可加工氮化硼系復相陶瓷中氮化硼的來源，可將氮化硼系復相陶瓷的制備方法分為直接混合法，前驅體化學預引入法，原位反應合成法和前驅體浸漬熱解法。

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合粉末，經成型工藝和經過高溫燒結工藝制備可加工氮化硼系復相陶瓷。由于這種方法引入的六方氮化硼粉末一般為微米級的粉末，采用這種方法制備的復合材料稱為微米級氮化硼系復相陶瓷。

②前驅體化學預引入法是先將氮化硼的前驅體與陶瓷粉末相混合，通過高溫熱解反應生成納米尺寸的氮化硼顆粒包覆在陶瓷顆粒表面，再將所得的復合粉末經過成型工藝，再經過高溫燒結工藝制備成氮化硼系復相陶瓷。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構的氮化硼系復相陶瓷。

③原位反應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生反應生成六方氮化硼，其他元素發生反應生成另一種陶瓷組元。原位反應法是通過化合物之間的反應生成六方氮化硼和陶瓷材料最終通過高溫燒結工藝制備氮化硼系復相陶瓷。

④前驅體浸漬熱解法是近幾年來出現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，將液態的前驅體或者前驅體溶液通過真空浸漬的方式引入陶瓷坯體，然后加熱使前驅體熱解轉變為六方氮化硼存在于陶瓷坯體中，然后經過高溫燒結工藝制備氮化硼系復相陶瓷。

三、可選擇的基體

需要氮化硼加入來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。通過加入具有層狀結構的h-BN作為彌散相，控制一定的組成及工藝，可使得高強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加工也是相對困難。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，還可增強其耐火性能。通常情況下氧化鋁陶瓷中會加入鱗片石墨等碳材料提高其抗熱震性能和抗渣性，但在鋼鐵精煉系統使用時，會帶來諸如熱能損失、鋼水增碳和氧化嚴重等問題。h-BN具有熱導率高，熱膨脹系數低，機械加工性好等優點，尤其是對鋼水的不潤濕性和耐熔蝕性，與氧化鋁復合制備的耐火材料具有更好的抗熱震性和抗氧化性，同時抗渣性相當。

氧化鋯陶瓷是一種常見的先進陶瓷，在硬度，斷裂韌性和耐腐蝕性方面均具有優異的性能，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。

例如在牙科陶瓷領域，全燒結氧化鋯瓷塊的可加工性差，銑削工具磨損嚴重，研磨過程中易產生機械及熱誘導裂紋，生產精確復雜的修復體形態十分困難，加工過程中往往需先使用預燒結瓷塊形成預定形態后再進行全燒結。由于預燒結坯體在燒結過程中有30%～40%的體積收縮，不可避免地產生形態變化，最終影響修復體精度，特別是跨度較長的橋體這種改變將更為顯著。但若加入具有層狀結構的無機材料，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，并且具有較高的導熱系數和低的熱膨脹系數，熱穩定性高，是一種優良的結構材料。但是，由于碳化硅是Si-C鍵很強的共價鍵化合物，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大。

Yang等研究了原位復合工藝制備的SiC-BN復合材料的抗熱震性能。使用氮化硅，硼化物和碳為原料通過原位合成制備SiC-BN復合陶瓷。原位合成SiC-BN復合陶瓷的抗熱震性能是由經過不同溫度差高達1100℃測量SiC-BN復合陶瓷經過熱震實驗后的強度保留率，并與單相SiC陶瓷的抗熱震性能進行比較。單相SiC陶瓷的抗彎強度在900℃以上迅速下降，而SiC-BN復合材料在1100℃表現出不變的彎曲強度，顯示SiC-BN復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良特性，包括高斷裂韌性、極高的抗彎強度和低熱膨脹系數，具有出色的抗熱震性，它密度低，硬度高，還具有高耐磨性，但因為綜合性能太強導致可加工性能較差。

Li等研究了通過放電等離子燒結工藝制備出可加工Si₃N₄-BN復相陶瓷，也能保持相當高的抗彎強度，隨著六方氮化硼含量的增加，Si₃N₄/BN復合材料的抗彎強度逐漸下降。對于給定氮化硼含量的條件下，化學反應法制備的Si₃N₄/BN復合材料的抗彎強度相對于粉末混合法制備的Si₃N₄/BN復合材料的抗彎強度得到顯著的增強。其中氮化硼含量高達30vol%時的Si₃N₄-BN復相陶瓷都可以采用碳化鎢鉆削工具進行機械加工。

氮化鋁陶瓷具有高的熱導率等一系列優良性能，是理想的半導體基片材料和大功率電子器件的封裝材料。與大多數陶瓷材料一樣，由于氮化鋁在燒結后難以機械加工的固有缺陷，很難制備出一些具有復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下的應用要求。

氮化鋁陶瓷基板

但加入h-BN后的復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合金刀具進行精密機械加工，滿足復雜形狀構件對材料成型的苛刻要求。除此之外，因h-BN具有出色的熱導率（雖不及氮化鋁，也能夠達到40-60W/m·K），所以當氮化鋁基體中引入適量的h-BN，可以較好地兼顧熱導性和可加工性。

四、總結

總的來說，當加工相h-BN顆粒均勻地分布在陶瓷基體中，就能使得復相陶瓷變得容易進行機械加工。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相的力學性能較低，將h-BN相加入到陶瓷基體中將會降低氮化硼系復相陶瓷的力學性能，所以可加工氮化硼系復相陶瓷的力學性能都是隨著h-BN相含量的增加而逐漸降低。

但同時，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用的具體工況來確定是否應制成復合陶瓷材料。