一Sialon陶瓷概述
Sialon是Si、Al、O、N四种元素的合成词，音译为“塞隆”。Sialon（塞隆）陶瓷，是由硅（Si）、铝（Al）、氧（O）、氮（N）组成的化合物,它是Si3N4中的Si和N被Al或（Al+M）（M为金属离子）以及O置换所形成的一大类固溶体的总称。 1972 年赛隆( SiAlON) 首先由英国的Jack、Wilson和日本的小山阳一几乎同时发现。他们在对氮化硅陶瓷各种添加剂的研究中最早发现了金属氧化物在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,进而有效地促进了烧结，从而发现了这种新的无机非金属材料——Sialon(赛隆)。Sialon陶瓷的主要类别有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种，尤以前两种最为常见。 除此以外，由于铝和氧的固溶状态不同，Sialon还有x型和AIN多型体等晶体类型。
二 Sialon陶瓷结构
S i3N4-A l2O3-A lN -S iO2系统相图
Sialon的晶体构型与Si3N4相类似。理想的Si3N4结构是三个[SiN4]四面体共角形成空间骨架,具有两种晶型:α型和β型。在Si-Al-O-N四元系统中,由于阳离子M (Si4+、Al3+)与阴离子X(N、O)的比例不同,形成的固溶体也不同,由相应相图可知,在该Si-Al-O-N四元系中存在β’ -Sialon、 α’ -Sialon、O’ -Sialon、X-Sialon和AlN多型体(8H、12H、15R、21R、27R等)。
α’-Sialon是以α-Si3N4为基的固溶体，它是在α-Si3N4的结构中Si-N键被数量不等的Al-N键和Al-O键所取代，而由此导致的电价不平衡，则由金属阳离子M的填隙来补偿，M可以是Li、Mg、Ca以及一些稀土元素等金属离子。α’-Sialon的分子式为：MxSil2-(m+n)Alm+nOmN16-n，式中0≤m≤12，0≤n≤16，m=Kx，x≤2，K表示填隙金属原子的化合价。
β’-Sialon 的通式一般写为Si6-ZAlZOZN8-Z，其中0<Z≤4.2。其晶粒通常为长柱状，因而其陶瓷体的韧性强度较好。在扫描电子显微镜下观察到的侧 β’-Sialon 是典型的六方柱状晶体 ，它 比β-Si3N4晶体粗大，呈柱状，而β- Siaveee3N4呈纤维状。
O’-Sialon是Si2N2O与Al2O3的固溶体,具有与Si2N2O相同的结构,其晶胞为Si(N3O)四面体。O’-Sialon属于正交晶系。O’-Sialon与β’-Sialon构成机理相同,也是Si、N分别被Al、O所取代,其分子式为Si2-xAlxO1+xN2-x(0<x≤0.3)。
X-Sialon是一种具有单斜、三斜或斜方结构组织的莫来石状结晶相,晶格参数变化很大,化学计量式为Si4Al6O11N4。
当Sialon组成位于β’和AlN之间的区域时,有六种不同的相,分别表示为:8H、15R、12H、21R、27R和2H,统称为Sialon多型体。它们具有纤锌矿型的AlN结构,故也称为AlN多型体。
三 主要物理、化学性质
Sialon陶瓷种类众多，主要类别有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种。
1.β’-Sialon陶瓷性质
β′-Sialon具有与β-Si3N4相类似的结构(M/X=3∶4),它的物理性质和机械性质与Si3冯代存N4陶瓷非常相似。可以说凡是Si发电机集电环3N4陶瓷具备的优点,β′-Sialon陶瓷也同样具备。β′-Sialon的热膨胀率低于β-Si3N4,因而β′-Sialon的抗热震性优于β-Si3N4。
β’- Sialon的性质与分子式（Si6-zAlzOzN8-z）中Z值有关，其密度、硬度、弹性模量、抗弯强度、热膨胀系数均随着Z值的增大而降低，这是由于随着Z值的增大，晶胞尺寸增大，使其键强减弱和结构疏松；而断裂韧性KIC却表现为Z值低(1O％AI置换)时高，Z值高(65％AI置换)时亦高，当Z=3(50％AI置换)时最低。
β′-Sialon含有大量的Al203，所以化学性质与Si3N4相比差异较大，较接近于Al203 。β′-Sialon的抗氧化性明显地优于Si3N4,与SiC相接近。β′-Sialon与熔融金属的相容性也非常好,不易被侵蚀。中间道路
2. O’-Sialon陶瓷性质
O′-Sialon与其它的固溶体不同,它属于氮氧化合物,因此它的性质与其它氮化物固溶体也有很大差异。无添加剂的O′-Sialon陶瓷在1300-1600℃具有很好的抗氧化性。
O′-Sialon的强度比较差,主要是由于Si2N2O与富SiO2的玻璃相键合得非常强致使玻璃相与晶体间产生明显的晶界，经过热处理后的O′-Sialon其韧性会奇迹般地提高。
3. α’-Sialon陶瓷性质
在Sialon家族中，α’ -Sialon以其硬度高而著称且具有出的耐磨性。 α’ -Sialon的HRA（洛氏硬度）值可以达到93~94，比一般的β-Si3N4或β’-Sialon材料的HRA值高1一2度。
常温热导率比β-Si3N4和β’-Sialon低得多。 α’-Sialon的含氮量比β’-Sialon高，故液相的黏度也高，这也正是α’-Sialon烧结难以致密化的原因。
四Sialon陶瓷制备
目前合成Sialon的方法主要有如下五种：直接合成法、由有机物合成、由天然原料合成、
数控转塔冲床模具
由Si粉和AlN制备、自蔓延高温合成法（燃烧法）等。
1 直接合成法
采用Si3N4、AlN和A12O3为原料,根据相图,严格按配比配料,经高温固相反应合成。由于此法在合成过程中易产生晶界,单纯依据相图配料合成往往比较困难,通常须添加烧结助剂来改善其烧结性能。
2 由有机物合成
Soraru G D等人用有机聚合物聚铝碳硅合成了z=0.5的β’-Sialon粉体。
3 由天然原料合成
即采用高岭土、叶蜡石、硅线石、火山灰和稻壳等天然原料采用碳热(或铝热)还原-氮化法合成β’- Sialon粉体。
4 由Si粉和AlN制备
控制Si粉和AlN的配比≥0.66,将氮气通过Cu2O后进入以硅碳棒为发热体的反应炉内,使O2分压≤ 10.1325 Pa,在常压于1400℃制备单相β’-Sialon粉体。
5 自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法又称燃烧法。以Si粉、AlN和Si3N4为原料,经混合、烘干后,于10 MPa的高纯氮气(N2>99. 999% )气氛中,用发热体点燃反应混合物顶端的钛颗粒,并产生2 000℃以上的高温立式鼓风机,使反应混合物开始燃烧(氮化反应)。
五Sialon陶瓷应用及发展前景
Sialon陶瓷在高温下具有良好的机械性能、抗热震性和良好的抗氧化性,膨胀系数小,化学稳定性高,耐腐蚀,因此其应用领域广泛，可用在机械、化工、冶金、航空航天、医学、生物、汽车等领域。
①可利用其高硬度作耐磨材料；②利用其在高温下化学性质稳定、与熔融金属间相容性好的特点，用来做有金属合金的压延、热挤压或拉丝等成型模具。据原西德专利(№2846840)介绍,用普通陶瓷工艺将20% ~90%的硅铁氮化物以及20% ~60%的氧化铝或
在烧结时能形成氧化铝的化合物进行混合,模压成型,然后在>1 600℃、惰性气氛(氩气或氮气)下烧结,所得制品可作浇注铝镇静钢的连铸系统水口,或作有冶炼炉的衬料和作喷涂料,如在镍基合金表面喷涂Sialon材料而形成惰性层,其抗侵蚀性能得到明显改善。③利用其好的抗热震性及韧性、扩散系数小等特点，用作金属切削刀具。这种刀具可高速、大进刀量地切削铸铁、硬化钢和高温合金，在切削速度大于300m/min时，β’-Sialon陶瓷刀具的寿命就等于A1203基陶瓷;以1525m/min的速度切削时.其寿命为A1203刀具的10-12倍，金属切削率也高于其它材料。④ 还可用做热机或其他热能设备,也是密封圈、轴承、阀体的理想材料，用于盛装和输送液态金属(包括钢水)是其最重要的应用领域。日本专利(昭57-267)介绍,利用Al2O3或SiC作骨料,以Sialon作基质可制得耐侵蚀抗热震性能良好的耐火材料,这种制品抗钢水及熔渣侵蚀性能比用粘土或氮化硅作基质的制品好得多。
由于Sialon陶瓷具有良好的机械性能和热性能,耐腐蚀,抗氧化性强,近几年来,人们对其进行了大量的研究。Sialon陶瓷的合成研究主要以降低成本、控制微观结构以提高材料的性能为主要目的。Sialon陶瓷制备原料昂贵,能耗大,对设备和工艺条件要求苛刻等因素,极大地制约了合成Sialon粉体的研究进展，以高岭土、蒙脱石、叶蜡石、硅线石、火山灰和稻壳等天然原料合成Sialon粉体,由于资源丰富、成本低廉、工艺简单等优势,已成为Sialon粉体
合成由实验室研究向工业化生产迈进的主要途径。同时，在合成过程中对反应条件(温度、气氛等)加以适当的控制,对反应添加剂进行合理选择,都会对Sialon的合成起到举足轻重的影响。
此外，由于不同Sialon固溶体的性能也不一样,所以可根据实际应用的需要设计出具备综合性能的复相Sialon陶瓷。对Sialon复相陶瓷进行剪裁与设计,可以使材料的性能进一步提高,最终制备出具有适宜性能的材料。Sialon陶瓷还有待于人们对其进行更深入的研究,以使Sialon陶瓷获得更宽广的性能和实际应用。
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