​氮化硅材料的性能特点及其应用简介

氮化硅材料的性能特点及其应用简介

氮化硅简介

氮化硅的结构

氮化硅(Si3N4)是一种由硅和氮组成的共价键化合物，有α、β两种晶型。α-Si3N4为颗粒结晶，β-Si3N4为针状结晶体，两者均属六方晶系。

氮化硅的诞生

1857年亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和弗里德里希·维勒首次报道了氮化硅的合成方法。他们报道了一种他们称之为硅的氮化物的产物，但他们未能弄清它的化学成分。1879年Paul Schuetzenberger通过将硅与衬料混合后在高炉中加热得到的产物，并把它报道为成分是Si3N4的化合物。1910年路德维希·魏斯和特奥多尔·恩格尔哈特在纯的氮气下加热硅单质得到了Si3N4。1925年Friederich和Sittig利用碳热还原法在氮气气氛下将二氧化硅和碳加热至1250-1300℃合成氮化硅。

虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时只是一种稳固的“难熔”的氮化物。直至七十年代中期才制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。

氮化硅陶瓷的优势

氮化硅陶瓷具有金属材料和高分子材料所不具备的众多优点

1.耐热，在常压下，Si3N4没有熔点，于1870℃左右直接分解，可耐氧化到1400℃，实际使用达1200℃(超过1200℃力学强度会下降)。

2.机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到1200°不下降。

3.热稳定高，热膨胀系数小，导热系数高，抗热震性好，从室温到1000℃热冲击不会开裂。

4.化学性质稳定，耐腐蚀，除氢氟酸外不与其他其他无机酸反应，浓度在30%以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。800℃干燥气氛下不与氧发生反应，超过800℃，开始在表面生成氧化硅膜，随着温度升高氧化硅膜逐渐变稳定，1000℃左右可与氧生成致密氧化硅膜。可保持至1400℃基本稳定。

5.密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。

6.氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，可作为导弹和飞机的雷达天线罩。

氮化硅陶瓷的应用

航天军工领域

以飞机的涡轮喷气发动机为例。燃烧室燃烧区温度高达1800-2000℃，引入气流冷却后，燃烧室壁温仍然在900℃以上。

陶瓷氮化硅耐热，可在1400℃时仍然有很高的强度、刚度，使用连续纤维增强的增强陶瓷可应用于涡轮部件，特别是小发动机的陶瓷叶片，涡轮外环和空气轴承。

此外，氮化硅陶瓷比密度小，密度仅为钢轴承的41%，可有效降低飞机发动机重量，减少油耗。

机械工程领域

氮化硅陶瓷摩擦系数小，有自润滑性，强度高，热膨胀系数小，体积受温度变化小，有效防止球或密封环卡死，可承受严酷的工作环境，制成球阀、泵体、密封环、过滤器、热交换器部件、固定化触媒载体等。制成轴承滚珠，工作寿命也高于一般轴承，但制作成本也比较高。氮化硅摩擦系数小，用于高温轴承，其工作温度可达1200℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍 。经试验表明，氮化硅制成的涡轮转子转动惯量可减少40%，增压响应时间快30%，明显改进了低速时的加速度。并且氮化硅陶瓷在涡轮增压器上的应用，为车用涡轮增压器上的轻量化技术提供了可能。

氮化硅制陶瓷更适用于更高转速、高负荷以及高温的环境。利用氮化硅制备高速、高精度刚性主轴的精密陶瓷轴承，其最高制造精度可达P4至UP级。氮化硅或氮化硅基陶瓷复合材料也因此被公认是制造轴承及其零件最理想的材料。目前氮化硅陶瓷轴承主要用于四个方面：①高速轴承②高温轴承③真空用轴承④腐蚀用轴承。

超细研磨领域

氮化硅硬度高，硬度仅次于金刚石，立方氮化硼。因其消耗非常低，降低了研磨介质的磨损及对研磨材料的污染，有利于获取更高纯度的超细粉体。氮化硅陶瓷球则是在非氧化环境中高温烧结的精密陶瓷制品，具有耐酸碱、耐腐蚀等特性，不仅可以在海水中长期使用，绝缘性、自润滑性也十分优异，因此可以使用到无润滑介质高污染的环境中。在800℃时，氮化硅陶瓷球强度、硬度几乎不变，重量几乎是轴承钢的1/3的重量，旋转时离心力小，可实现高速运转。由此氮化硅陶瓷球不但能成为陶瓷轴承、混合陶瓷轴承的首选球珠，在超细研磨领域也发挥着重要的作用。

汽车内燃机材质

目前汽车内燃机耐热部位制造材料为镍基耐热材料，工作温度在1000℃左右。若采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。

阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题，将会给人类社会的发展提供强大的推动力。

柴油机电热塞（预热塞）

利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，氮化硅陶瓷电热塞升温至1000℃时间比金属电热塞快、工作温度高，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速起动汽车。

除此之外氮化硅还可以做发热体，广泛应用于直热及贮水式、节能快热式电热水器，快热式液体加热、电暖、冷热饮机、空调加热器，直热水龙头、恒温器、蒸气发生器等家用、工业、商务用电热器行业。

冶金领域

氮化硅陶瓷材料的化学稳定性及优异的机械性能，使其在冶金领域得到广泛的应用。氮化硅具有优异的热氧稳定性，抗热氧化温度可达1400℃，使用温度达1200℃。在中性或者还原气氛中使用温度可达1800℃。此外氮化硅热膨胀性小，可用于极冷急热的工况环境。

氮化硅陶瓷具有的抗铝液腐蚀的特性让其在铸铝连轧生产线和炼铝、熔铝作业中，可用来制作测温热电偶管套、炼铝炉炉衬、铝液包子内衬、坩埚、铸铝模具、铝电解槽等用具。例如氮化硅陶瓷制成的热电偶管套用于铝液测温这一技术已经开始在我国普及，这种管套相较于常用的不锈钢、刚玉陶瓷管套在使用性能上更加优异，毕竟不锈钢容易被铝液腐蚀，连续使用20h后就会被损坏，刚玉更是经不起热冲击。而在铝液中性能长期稳定、间歇测温1200次以上都不开裂的氮化硅陶瓷管套在加工过程中可谓是一大利器。

高性能机床切削刀具

现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术。氮化硅刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍，比硬质合金有更好的化学稳定性，可它在高速条件下切削加工并持续较长时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3倍以上。

它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。

20世纪70年代末80年代初国际上第三代陶瓷刀具——氮化硅陶瓷刀具才出现。这类刀具比第二代复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。氮化硅刀具主要适用于铸铁、高温合金的粗加工、高速切削和重切削，其优异的化学稳定性和耐磨性可在高速条件下长时间进行切削加工运作，比普通硬质合金刀具运行效率平均提高三倍以上。

在半导体、航空、原子能等工业上用于制造开关电路基片、薄膜电容器、承受高温或温度剧变的电绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、原子反应堆中的支承件和隔离件、核裂变物质的载体等。

氮化硅陶瓷的应用初期主要用在机械、冶金、化工、航空、半导体等工业上，做某些设备或产品的零部件，取得了很好的预期效果。近年来，随着制造工业和测试分析技术的发展，氮化硅陶瓷制品的可靠性不断提高，因此应用面不断扩大。正在研制的氮化硅质的全陶瓷发动机可望代替同类型金属发动机，实现发动机的轻量、小型、高功率、节能、省料、高速度以及长寿命、少污染等目标。

氮化硅粉

氮化硅粉与氮化硅陶瓷的关系

制备氮化硅陶瓷材料首先需要获得氮化硅粉体，再经过成型、烧结等工艺，最后得到所需要的氮化硅陶瓷，其中粉体主要制备方法有硅粉氮化法、液相反应法、自蔓延高温合成法；主要成型工艺有干压成型、冷等静压成型、流延成型；主要烧结工艺有热压烧结、气压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等。

纳米氮化硅、超细氮化硅粉通过特殊工艺方法制备，纯度高，粒径小，分布均匀，比表面积大，表面活性高，松装密度低，紫外线反射率为95%以上和吸收红外波段的吸收率在97%以上。

粉体的特殊应用

1.金属及其它材料表面处理：如模具、切削刀具、汽轮机叶片、涡轮转子以及汽缸内壁涂层等合金。

2.复合材料：如金属、陶瓷及石墨基复合材料，橡胶、塑胶、涂料、胶粘剂及其它高分子基复合材料，其在复合材料中形成细微的弥散相，耐化学腐蚀性能好，特别是高温度强度大，并有自润滑效果从而大大地提高了复合材料的综合性能。

3.耐磨自润滑纳米颗粒薄膜，用于手机、高级汽车等表面保护，耐磨涂料、电泳漆添加剂，起到高耐磨特性。氮化硅硬度高，滑动摩擦系数小的特点可以应用于金属表面陶瓷耐磨复合镀，应用到涂料中可以起到耐磨与耐溶剂特性，高纯度氮化硅可以用在石英坩埚脱模剂用。

随着氮化硅陶瓷的广泛应用，氮化硅粉势必向着绿色环保、低成本方向发展。高纯度的氮化硅粉体将成为推动氮化硅陶瓷材料发展的关键。