新型陶瓷材料

为综合Si₃N₄良好的抗热震性能以及Al₂O₃优异的烧结性，英国陶瓷学家Jack和Wilson以及日本学者Oyama在1971~1972年独立发现Al₂O₃可以固溶到β-Si₃N₄晶格当中形成固溶体这一现象。Si₃N₄中的Si、N原子可被Al₂O₃中的Al、O原子部分置换形成置换型固溶体，没有生成新的晶体结构，相应的晶胞尺寸增大，这是一种由Si-Al-O-N元素组成的新型陶瓷材料，即塞隆陶瓷(SiAlON)。

SiAlON陶瓷可分为α-SiAlON、β-SiAlON和(α+β)-SiAlON复合陶瓷。其中，α-SiAlON的结构类似于α-Si₃N₄，属于α-Si₃N₄的固溶体，通式为M_xSi_12-(m+n)Al_m+nOnN_16-n(M表示金属大离子，Li⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Y³⁺等大多数稀土离子；x=m/z；x为金属大离子填充数，m表示(Al-N)取代(Si-N)的取代量，z为M的电价，n表示(Al-O)取代(Si-N)的取代量)。α-SiAlON陶瓷硬度高，耐磨性能好，抗热震性及抗氧化性能良好。

β-SiAlON为β-Si₃N₄晶格中固溶Al₂O₃形成的SiAlON陶瓷，其化学式可表示为：Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0≤z≤4.2)，其中z为Al或O原子置换Si或N原子的数目。当z值逐渐增大时，固溶的Al₂O₃增多，晶胞尺寸增大，得到β-SiAlON的密度和强度都会有所降低。β-SiAlON具有优良的强度、韧性和良好的烧结性能。

SiAlON陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高温机械强度及化学稳定性。这些优异性能比大多数的钢与合金好，因而得到较为广泛的应用。

目前，SiAlON陶瓷粉体的合成方法主要有：直接合成法、自蔓延高温合成法、碳热还原氮化法等。

直接合成法：以Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃及AlN为原料，根据相图，严格按照各个组分的配比并选择适当的合成工艺条件高温合成SiAlON陶瓷粉体。

直接合成法的优点：易通过控制调节组分合成不同特殊需要的性能优越的塞隆陶瓷。缺点是Si₃N₄、AlN等原料价格昂贵，整个工艺能耗大，对设备要求高，限制了塞隆陶瓷的大规模生产及广泛应用。

自蔓延高温合成法（SHS）：是将Si粉、Si₃N₄、AlN等按一定的比例充分混合后置于一定压力的氮气气氛中，点燃反应物顶端的钛粉，产生的高温使反应物开始发生燃烧反应，由于该合成反应是放热反应，一旦点燃就能够自发维持，并以一定的速率向前推进，数分钟内就能够完成整个合成反应。

由自蔓延高温合成法合成的SiAlON粉烧结成的SiAlON蜂窝陶瓷及SiAlON-SiC复合蜂窝陶瓷已被用于处理汽车尾气中CO的应用中。

自蔓延高温合成法的优点：工艺简单、反应温度高、速度快、能耗低，合成粉末纯度高、松散易碎，颗粒粒径小、活性高，粉体的烧结性能好，易烧结成致密化的SiAlON材料。缺点：SHS法所用的原料纯度要求较高，由于反应温度高，所以对设备的要求也高，这些都增加了成本，而且此法反应设备小、产量低、操作工艺严格，不适宜大规模生产。

碳热还原氮化法：是以SiO₂、Al₂O₃为原料，也可以用天然原料高岭土、硅线石、叶腊石、稻壳、粉煤灰和火山灰等天然原料，还可以用硅酸盐水合物或者以硅、铝为主成分的废渣，其碳源也相当广泛，可以是碳粉、炭黑、无定形碳等无机碳，也可以是有机碳。碳在1400℃以上时具有很高的活性，足以打开Si-O键而形成C-O键，处于不饱和状态的Si与N及Al₂O₃等结合而达到饱和状态，从而形成了SiAlON材料。

碳热还原反应法的优点：原料丰富且价格低廉，反应温度低，设备简单，能耗较小，SiAlON粉体具有良好的烧结性能，是国内外专家普遍看好的新途径。缺点：生产过程中产生CO会污染环境，并且导致材料的气孔率高，降低了材料的质量，过量的碳不易除尽，影响产物的纯度及性能。