氮化硅陶瓷的研究
作者：王雪 董茁卉 张磊 杨柳 范雪 孙亚静、陈雅倩、吕海涛、徐志华、张国庆、于希晶。
（吉林化工学院 132022）
摘要：氮化硅陶瓷是一种有广阔发展前景的耐高温高强度结构陶瓷。氮化硅陶瓷在高技术陶瓷中占有重要地位，其具有高性能（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），与其他陶瓷相比，氮化硅陶瓷比重小，热膨胀系数低，抗热冲击性好，断裂韧性高，是一种理想的高温结构材料和高速切削工具陶瓷材料。因此氮化硅陶瓷在航天航空、汽车发动、机械、化工、石油等领域有着广泛的用途，也为新型高温结构材料的发展开创了新局面。目前氮化硅陶瓷制品主要存在的问题是产品韧性低、成本高。今后应改善制粉、成型、和烧结工艺及氮化硅与碳化硅的复合化，研制出性能更佳的氮化硅陶瓷。本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性能，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和应用领域，并展望了氮化硅陶瓷的发展前景。
关键词：氮化硅 ；陶瓷 ；性能；应用；
Abstract: Silicon nitride ceramics is high temperature and high strength
structuralceramics has a broad development prospect. Silicon nitride
ceramics occupies an important position in the high technology ceramics, it
has high performance(such as high strength, high hardness, good thermal
shock stability, hightemperature fatigue toughness, high bending
strength, wear resistance,chemical corrosion resistance and high temperature
stability, good oxidation resistance properties), compared with
other ceramics, silicon nitride ceramics the proportion of small, low thermal
expansion coefficient, good heat shock resistance, high fracture toughness, is
a kind of ideal candidates for high temperature structural materials and high
speed cutting tool ceramics.Therefore, silicon nitride ceramics
in aerospace, automobile engine, mechanical,chemical, oil and other fields
have a wide range of uses, has created a new situation for the development of
new high temperature structural materials. Thesilicon nitride ceramic
products the main problems is the product of low toughness, high cost. We
should improve milling, molding compound, and the sintering process and
silicon nitride and silicon carbide, silicon nitride
ceramicsdeveloped better performance. This paper introduces the
basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the preparation
technology and application of silicon nitride ceramics, and prospects the
future development of silicon nitride ceramics.
Keywords: silicon nitride ceramic; performance; application;
引言
自20世纪60年代开始，氮化硅陶瓷作为最优异的非氧化物陶瓷材料之一 ，被期望能用于燃气轮机上，而逐渐蓬勃地发展了40多年，成为了一个以氮化硅为基的氮陶瓷领域。伴随着氮陶瓷材料的研制和发展，氮化硅陶瓷系统的结晶化学和物理化学，也在这期间开展大力研究，如氮化硅极其固溶体结构的揭示和测定，大量含氮硅酸盐新物相的合成极其与传统硅酸盐物相对应的关系，高温反映进程，高温物相平衡，相图等，并形成一个颇为完整的含氮硅酸盐领域。这些研究不仅有重要的学术意义，对材料的组成设计和工艺最佳化等，也有实用参考价值。作为人工合成材料之一的氮化硅结构陶瓷，其在新型材料中有着重要的位置，而且受到越来越多的关注。本文着重对氮化硅陶瓷的高温物理化学在这40多年中的制备方法、研究成果、应用领域进行系统的介绍。
1、氮化硅简介
正八面体的两个顶是Si，然后连着Si的是四个N，也就是八面体的中间，然后以这四个N产生的平面的中心，就是最后那个Si了。最后检查，一定要MAKE SURE每个Si都连着四个N，而N-N之间没有连起来！氮化硅晶体属于原子晶体.氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构。
图1氮化硅结构的立体图
1.1、氮化硅分类
特点 应用
氮化硅纤维[3] ①高收率②高性能③耐化学腐蚀④耐高温性能好⑤高性能陶瓷基复合材料的增强纤维 未来航天航空、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[1] （填入橡胶材料后）高撕裂强纳米氮化硅填充丁氰橡胶制度、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性，良好的力学性能、高硬度、抗热震性、抗氧化性、耐侵蚀性、尺寸稳定性、Sialon改性，减少能源消耗，耐高温，具有生物相容性、承载力强 备纳米橡胶复合材料，制作陶瓷，发动机零部件和刀具，抗腐蚀和电磁方面的材料，做涂层，制作航空航天材料，制作移植人体器官，改性聚合物使其具有良好的抗紫外能力不老化。
氮化硅复合材料[1] 耐高温、低介电、抗蠕变、抗氧化 高性能导弹武器的天线罩
氮化硅薄膜[1] 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，钝化性能和力学。 太阳能电极中、制造半导体材料
多孔氮化硅 耐热性好、化学稳定性好、几何表面积与体积比高、具有高度开口、内连的气孔、孔道分布较均匀、气孔尺寸可控、具有良好的机械强度和刚度、在气压、液压或其它应力负载下、多孔体的孔道形状和尺寸不发生变化。
过滤及分离、吸引材料、用作隔膜材料、用作敏感元件、生物工程材料、
1.2氮化硅陶瓷的晶体结构
Si3N4是共价键化合物，它有两种晶型，即针状结晶的α- Si3N4和颗粒状结晶的β- Si3N4，它们均属于六方晶系。Si3N4的晶体结构为Si原子和周围的四个N原子形成共价键，构成【Si3N4】四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成三维空间网络。正是由于【Si3N4】四面体结构单元的存在，Si3N4具有较高的硬度。
B- Si3N4 的一个晶胞内，有六个Si原子和八个N原子。其中三个Si原子和四个N原子在一个平面上，另外三个Si原子和四个N原子在高一层平面上。第三层与第一层相对应。
α- Si3N4中第三层、第四层的Si原子，在平面位置上都分别与第一层、第二层的硅原子错了一个位置，形成四层重复排列，即ABCDABCD……的层叠排列，并且每个晶胞形成两个封闭孔洞。相对β- Si3N4而言α- Si3N4晶胞参数变化不大，但c轴扩大了约一倍，其结构内部的应变较大，故自由能比B型高，即体系的稳定性比较差，当加热至1500℃时，α- Si3N4将转变为β- Si3N4，且这种转变是不可逆的。
1.3氮化硅陶瓷的性能
Silicon Nitride（Si3N4）Ceramic Characteristics
密度
Density
g/cm3 相对密度
Relative density
％ 弹性模量
Elastic modulus
GPa 抗弯强度
Bending strength
MPa 硬度（HV）
Hardness
GPa
1.4.氮化硅陶瓷的制备
1．反应烧结法（ RS)
是采用一般成型法，先将硅粉压制成所需形状的生坯，放入氮化炉经预氮化（部分氮化）烧结处理，预氮化后的生坯已具有一定的强度，可以进行各种机械加工（如车、刨、铣、钻). 最后，在硅熔点的温度以上；将生坯再一次进行完全氮化烧结，得到尺寸变化很小的产品（即生坯烧结后，收缩率很小，线收缩率< 011% ). 该产品一般不需研磨加工即可使用.
反应烧结法适于制造形状复杂，尺寸精确的零件，成本也低，但氮化时间很长.
3Si + 2N2 = Si3N4反应烧结法工艺流程：
硅粉
注浆 等静压 成 型 挤压 注模
预氮化或速烧 干压
机械加工
氮化烧成 脱脂
成品 产品检查
研磨加工
反应烧结合氮化硅的优点: 3.260.02 >99.5 300～320 900～1000 18 - 20
断裂韧性
Fracture toughness
/MPa•m1/2 比电阻率
Specific
resistance ratio 泊松比
Poisson's ratio 线膨胀系数
Linear expansion
coefficient
10-6K-1 韦泊模数
Webuller
modulus
7.0～9.0 1018 0.25 3.1～3.3 12～15
热导率
Thermal
conductivity
W•（m•K）-1 热震性
Thermal shock
resistance
耐酸碱腐蚀性
Corrosion
resistance 尺寸稳定性
Size stability 磁性
Magnetic
15~20 优
Excellent 优
Excellent 优
Excellent 无
NO