2014

年第05

期吉林省教育学院学报No.05，2014

第30

卷JOUＲNALOFEDUCATIONALINSTITUTEOFJILINPＲOVINCEVol.30

（

总365

期）TotalNo.365

收稿日期：2014—01—20

作者简介：

唐甜甜（1993—），

女，

吉林长春人，

河海大学大禹学院，

研究方向：

水文与水资源。氮化硅陶瓷的研究

唐甜甜

（

河海大学大禹学院，

江苏南京210098）

摘要：

氮化硅陶瓷是一种有广阔发展前景的耐高温的高强度结构陶瓷。

与其他陶瓷材料相比，

氮化硅陶瓷具有较高性能

（

如强度高、

硬度高、

抗热震稳定性好、

疲劳韧性高、

室温抗弯强度高、

耐磨、

耐化学腐蚀和很好的高温稳定性、

抗氧化性能等），

且具有比重小、

热膨胀系数低、

抗热冲击性好、

断裂韧性高等优良性能，

因而得到广泛关注，

成为一种理想的高温结构材料和

高速切削工具陶瓷材料。

本文从氮化硅的结构出发，

详细介绍了氮化硅陶瓷的基本性能、

制备工艺和应用领域，

对氮化硅陶

瓷的发展前景进行了展望，

以求对该种材料的发展及应用有所帮助。

关键词：

氮化硅；

陶瓷；

高性能

中图分类号：TQ174

文献标识码：A

文章编号：1671—1580（2014）05—0153—02

一、

氮化硅的特点和应用

根据碳化硅的结构、

合成方法、

形貌等，

可以把

氮化硅陶瓷分成氮化硅纤维、

纳米氮化硅、

氮化硅复

合材料、

氮化硅薄膜、

氮化硅陶瓷球五类。

氮化硅纤维：

高收率、

高性能、

耐化学腐蚀、

耐高

温性能好。

是航天航空、

汽车发动机等耐高温部件

最有希望的候选材料。

纳米氮化硅：

高撕裂强度、

拉伸强度、

耐磨性、

降低内耗、

改善橡胶的动态力学和耐热老化。

可用

于制作陶瓷、

发动机零部件和刀具，

或作为抗腐蚀和

电磁方面的材料。

氮化硅复合材料：

耐高温、

低介电、

抗蠕变。

用

于制作抗氧化高性能导弹的天线罩。

氮化硅薄膜：

优良的光电性能、

很高的化学稳定

性，

抗杂质扩散和水汽渗透能力强。

氮化硅陶瓷球：

高硬度、

高耐磨性、

耐腐蚀、

耐高

温、

重量轻、

加工精度高、

自润滑性、

绝缘性。

是陶

瓷轴承、

混合陶瓷球轴承的首选材质。

二、

氮化硅陶瓷的制备

（

一）

反应烧结法

在1200℃

左右，

把Si

粉或Si

粉与Si

3N

4粉的混

合物定型后通氮气进行氮化，

继续通过机械加工制

成所需材料，

最后在1400℃

左右进行最终氮化烧结。

（

二）

热压烧结法

将Si

3N

4粉末和少量添加剂（

如MgO、Al

2O

3、

MgF

2、Fe

2O

3等），

在1916MPa

以上的压强和1600

℃

以上的温度下热压成型。

（

三）

常压烧结法

在常规条件下，

将高纯、

超细、

高α相含量的氮

化硅粉末与少量助烧剂混合，

通过烧结、

定型等工序

制备而成。

（

四）

气压烧结法

把Si

3N

4压坯放在5－12MPa

的氮气中，

在1800

－2100℃

下进行烧结。

高压氮气压抑了氮化硅的高

温分解，

从而提高了材料的高温性能。

（

五）

重烧结

将反应烧结的Si

3N

4烧结坯和助烧剂置于氮化

硅粉末中，

在高温下重烧结，

得到致密的Si

3N

4。

（

六）

热等静压法

在压力为200MPa，

温度为2000℃

的条件下，

将

氮化硅及助烧剂的合成物粉末装到封闭容器内，

抽

出空气后在高温下烧结。

静压氮化硅可达到理论

密度。

（

七）

微波烧法

利用陶瓷素坯内部的介电损耗发热来进行陶瓷

351DOI:10.16083/j.cnki.jeijp.2014.05.001烧结，

坯体内外整体性加热。Si

3N

4陶瓷介电常数

低、

损耗低，

难以用微波加热，

因此需对预烧结样品

进行微波烧结，

以获得较高密度、

结构均匀的Si

3N

4

烧结体。

（

八）

等离子体烧结法

等离子体烧结是将陶瓷素坯放在等离子体发生

器中，

利用等离子体特有的高温、

高焓，

快速烧成

陶瓷。

（

九）

电火花烧结法

利用粉末间火花放电产生的高温和强高压进行

烧结。

（

十）

化学气相沉淀法

将原材料加热升华，

直接在种晶上再结晶出单

晶宝石材料，

以及在诱导结晶的材料上结晶出多晶

薄膜的工艺方法。

三、

氮化硅陶瓷的应用

氮化硅陶瓷早期主要用于制作冶金机械、

化工

原料、

航空航天、

半导体材料、

医疗器材，

用来制造某

特种设备的零部件，

取得了很好的应用效果。

近年

来，

随着产品工艺和测试技术的发展，

该材料制品的

稳定性、

可靠性不断提高，

应用领域不断扩大。

目

前，

氮化硅陶瓷发动机的研制与研发正在全面进行

中，

且已经取得了较大发展。

氮化硅陶瓷在许多领域都有应用：

在冶金工业领域，

用来制作热电偶测温保护套

管、

发热体夹具、

铝电解槽衬里、

铝液导管、

坩埚等热

工设备上的部件。

在机械工业领域，

用来制造高速切削工具、

燃气

轮机的导向叶片和涡轮叶片、

转子发动机刮片、

金属

部件热处理的支承件等。

在化学工业领域，

用来制造蒸发皿、

泵体、

燃烧

器、

过滤器、

热交换器部件、

密封环、

耐蚀耐磨零

件等。

在航空航天领域，

用来制造承受高温或温度剧

变的电绝缘体、

导弹尾喷管、

雷达天线罩、

航天飞机内支承件和隔离件等。

四、

陶瓷制品市场展望

高性能氮化硅陶瓷是一种完美的实用工具材

料，

其稳定性和硬度比合金强得多，

与传统的氧化铝

陶瓷相比，

硬度、

韧度和抗冲击力都要出色得多。

Si

3N

4材料作为一种优异的耐高温工程材料，

最大优

势是其在高温中的应用。Si

3N

4材料的发展方向是：

充分发挥和利用Si

3N

4本身所具有的优异特性，

在

Si

3N

4粉末烧结时，

开发一些新的助熔剂，

控制和研

究现有助熔剂的最佳成分；

改善制粉、

成型和烧结工

艺，

以便制取更多的高性能复合材料。Si

3N

4陶瓷在

汽车发动机上的应用，

为新型高温结构材料的发展

开创了新局面。

近年来，

先进结构陶瓷材料Si

3N

4在粉体新材

料、

制备、

烧结、

应用以及探索性研究方面取得了大

量成果，

但对于一些基础的工业应用，

如陶瓷轴承球

接触应力下的腐蚀、

冶金过程中的熔盐腐蚀、

燃气轮

机内的气体腐蚀等都涉及较少。

如何克服环境中材

料失衡问题，

提升氮化硅陶瓷的应用性能，

是未来的

研究重点。

氮化硅有能承受高温和温度骤变、

重量轻、

强度

高、

使用寿命长的特点。

因此，

它可以被用来研制太

空飞船的各个部件，

太空飞船舱体的耐高温隔热板，

就是用碳化硅陶瓷制成的。

［

参考文献］

［1］

刘阳，

曾令可，

刘明泉，

等．

非氧化物陶瓷及其应用［M］．

北

京：

化学工业出版社，1996．

［2］

肖汉宁，

高朋召，

等．

高性能结构陶瓷及其应用［M］．

北京：

化学工业出版社，1993．

［3］

王正军．

氮化硅陶瓷的研究进展［M］．

北京：

化学工业出版

社，2001．

［4］

李楠，

顾华志，

赵惠忠，

等．

耐火材料学［M］．

北京：

冶金工业

出版社，1997．

［5］

尹衍生，

陈守刚，

李嘉，

等．

先进结构陶瓷及其复合材料

［M］．

北京：

化学工业出版社，1997．

451