陶瓷加工难怎么办，整点氮化硼？

随着工程技术的发展，越来越多的先进陶瓷材料因具有较高的力学、抗氧化、绝缘、导热等优秀性能被用于制成各种产品及零部件，但随之而来的“加工难”也让许多生产企业头疼。

之所以产生这个问题，根本原因是先进陶瓷具有较高的硬度而且脆性较大，因此可加工性能较差。但先进陶瓷具备那么多优势，总不能因噎废食，因此为了改善陶瓷材料的可加工性，就有了这种解决方式——向陶瓷材料中加入六方氮化硼相制备可加工复相陶瓷。

一、为什么选择氮化硼？

氮化硼(boron nitride，BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)组成一种重要的III.V族化合物，具有宽带隙、高热导率、抗氧化性等优异的物理化学性能，主有两种晶型：立方氮化硼和六方氮化硼。

其中，六方氮化硼因有着类似石墨的层状结构和晶格参数，也被称为“白石墨”，质软，具有优秀的热导率和绝缘特性。以它制成的陶瓷制品由于硬度低（莫氏强度2），因此可进行精度为1/100mm的机械加工——这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、氮化硼复相陶瓷的制备工艺

按照可加工氮化硼系复相陶瓷中氮化硼的来源，可将氮化硼系复相陶瓷的制备方法分为直接混合法，前驱体化学预引入法，原位反应合成法和前驱体浸渍热解法。

①直接混合法是直接将氮化硼粉末与陶瓷粉末相混合制成复合粉末，经成型工艺和经过高温烧结工艺制备可加工氮化硼系复相陶瓷。由于这种方法引入的六方氮化硼粉末一般为微米级的粉末，采用这种方法制备的复合材料称为微米级氮化硼系复相陶瓷。

②前驱体化学预引入法是先将氮化硼的前驱体与陶瓷粉末相混合，通过高温热解反应生成纳米尺寸的氮化硼颗粒包覆在陶瓷颗粒表面，再将所得的复合粉末经过成型工艺，再经过高温烧结工艺制备成氮化硼系复相陶瓷。由于采用该方法在陶瓷中引入的六方氮化硼为纳米尺寸，所以制备出具有纳米结构的氮化硼系复相陶瓷。

③原位反应合成法采用含硼元素的化合物与含氮元素的化合物相混合，在高温下两种化合物中的硼元素和氮元素发生反应生成六方氮化硼，其他元素发生反应生成另一种陶瓷组元。原位反应法是通过化合物之间的反应生成六方氮化硼和陶瓷材料最终通过高温烧结工艺制备氮化硼系复相陶瓷。

④前驱体浸渍热解法是近几年来出现的一种向陶瓷材料中引入六方氮化硼的新工艺，其基本工艺是先制备陶瓷坯体，将液态的前驱体或者前驱体溶液通过真空浸渍的方式引入陶瓷坯体，然后加热使前驱体热解转变为六方氮化硼存在于陶瓷坯体中，然后经过高温烧结工艺制备氮化硼系复相陶瓷。

三、可选择的基体

需要氮化硼加入来改善加工性及韧性的，一般都是硬度较大的陶瓷材料，如SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、ZrO₂和AlN等。通过加入具有层状结构的h-BN作为弥散相，控制一定的组成及工艺，可使得高强度陶瓷获得良好的可加工性能。

氧化铝是一种非常受欢迎的陶瓷材料，由于硬度较高所以精细加工也是相对困难。为了改善氧化铝陶瓷的可加工性能，向氧化铝基体中加入h-BN制备出Al₂O₃/BN复相陶瓷，就可起到显著效果。

此外将h-BN加入氧化铝陶瓷中，还可增强其耐火性能。通常情况下氧化铝陶瓷中会加入鳞片石墨等碳材料提高其抗热震性能和抗渣性，但在钢铁精炼系统使用时，会带来诸如热能损失、钢水增碳和氧化严重等问题。h-BN具有热导率高，热膨胀系数低，机械加工性好等优点，尤其是对钢水的不润湿性和耐熔蚀性，与氧化铝复合制备的耐火材料具有更好的抗热震性和抗氧化性，同时抗渣性相当。

氧化锆陶瓷是一种常见的先进陶瓷，在硬度，断裂韧性和耐腐蚀性方面均具有优异的性能，但可加工性能较差。向氧化锆基体中加入h-BN制备出ZrO₂/BN复相陶瓷，从而可以显著的改善氧化锆陶瓷的可加工性能。

例如在牙科陶瓷领域，全烧结氧化锆瓷块的可加工性差，铣削工具磨损严重，研磨过程中易产生机械及热诱导裂纹，生产精确复杂的修复体形态十分困难，加工过程中往往需先使用预烧结瓷块形成预定形态后再进行全烧结。由于预烧结坯体在烧结过程中有30%～40%的体积收缩，不可避免地产生形态变化，最终影响修复体精度，特别是跨度较长的桥体这种改变将更为显著。但若加入具有层状结构的无机材料，如h-BN，就能较易被切割和钻孔。

碳化硅陶瓷具有高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，是一种优良的结构材料。但是，由于碳化硅是Si-C键很强的共价键化合物，具有极高的硬度和显著的脆性，精密加工难度大。

Yang等研究了原位复合工艺制备的SiC-BN复合材料的抗热震性能。使用氮化硅，硼化物和碳为原料通过原位合成制备SiC-BN复合陶瓷。原位合成SiC-BN复合陶瓷的抗热震性能是由经过不同温度差高达1100℃测量SiC-BN复合陶瓷经过热震实验后的强度保留率，并与单相SiC陶瓷的抗热震性能进行比较。单相SiC陶瓷的抗弯强度在900℃以上迅速下降，而SiC-BN复合材料在1100℃表现出不变的弯曲强度，显示SiC-BN复合陶瓷的抗热震性能有很大改善。

氮化硅陶瓷集合了许多材料的优良特性，包括高断裂韧性、极高的抗弯强度和低热膨胀系数，具有出色的抗热震性，它密度低，硬度高，还具有高耐磨性，但因为综合性能太强导致可加工性能较差。

Li等研究了通过放电等离子烧结工艺制备出可加工Si₃N₄-BN复相陶瓷，也能保持相当高的抗弯强度，随着六方氮化硼含量的增加，Si₃N₄/BN复合材料的抗弯强度逐渐下降。对于给定氮化硼含量的条件下，化学反应法制备的Si₃N₄/BN复合材料的抗弯强度相对于粉末混合法制备的Si₃N₄/BN复合材料的抗弯强度得到显著的增强。其中氮化硼含量高达30vol%时的Si₃N₄-BN复相陶瓷都可以采用碳化钨钻削工具进行机械加工。

氮化铝陶瓷具有高的热导率等一系列优良性能，是理想的半导体基片材料和大功率电子器件的封装材料。与大多数陶瓷材料一样，由于氮化铝在烧结后难以机械加工的固有缺陷，很难制备出一些具有复杂形状和小体积的氮化铝陶瓷部件，很难满足器件小型化趋势下的应用要求。

氮化铝陶瓷基板

但加入h-BN后的复相陶瓷材料能够提高其综合性能，不仅具有出色的高温耐蚀性、抗热震性，以及低模量和能够用硬质合金刀具进行精密机械加工，满足复杂形状构件对材料成型的苛刻要求。除此之外，因h-BN具有出色的热导率（虽不及氮化铝，也能够达到40-60W/m·K），所以当氮化铝基体中引入适量的h-BN，可以较好地兼顾热导性和可加工性。

四、总结

总的来说，当加工相h-BN颗粒均匀地分布在陶瓷基体中，就能使得复相陶瓷变得容易进行机械加工。但是由于在陶瓷基体中加入一定量的h-BN相后，由于可加工h-BN相的力学性能较低，将h-BN相加入到陶瓷基体中将会降低氮化硼系复相陶瓷的力学性能，所以可加工氮化硼系复相陶瓷的力学性能都是随着h-BN相含量的增加而逐渐降低。

但同时，由于h-BN材料具有较高的抗热震性能和抗氧化性，所以也能使得可加工氮化硼系复相陶瓷具有更好的抗热震性能以及较高的抗高温氧化性能，因此最终还是要视应用的具体工况来确定是否应制成复合陶瓷材料。