氮化硅簡介

氮化硅的結(jié)構(gòu)

氮化硅(Si3N4)是一種由硅和氮組成的共價(jià)鍵化合物，有α、β兩種晶型。α-Si3N4為顆粒結(jié)晶，β-Si3N4為針狀結(jié)晶體，兩者均屬六方晶系。

氮化硅的誕生

1857年亨利·愛丁·圣克萊爾·德維爾和弗里德里?！ぞS勒首次報(bào)道了氮化硅的合成方法。他們報(bào)道了一種他們稱之為硅的氮化物的產(chǎn)物，但他們未能弄清它的化學(xué)成分。1879年P(guān)aul Schuetzenberger通過將硅與襯料混合后在高爐中加熱得到的產(chǎn)物，并把它報(bào)道為成分是Si3N4的化合物。1910年路德維希·魏斯和特奧多爾·恩格爾哈特在純的氮?dú)庀录訜峁鑶钨|(zhì)得到了Si3N4。1925年Friederich和Sittig利用碳熱還原法在氮?dú)鈿夥障聦⒍趸韬吞技訜嶂?250-1300℃合成氮化硅。

雖早在140多年前就直接合成了氮化硅，但當(dāng)時(shí)只是一種穩(wěn)固的“難熔”的氮化物。直至七十年代中期才制得了高質(zhì)量、低成本，有廣泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。

氮化硅陶瓷的優(yōu)勢

氮化硅陶瓷具有金屬材料和高分子材料所不具備的眾多優(yōu)點(diǎn)

1.耐熱，在常壓下，Si3N4沒有熔點(diǎn)，于1870℃左右直接分解，可耐氧化到1400℃，實(shí)際使用達(dá)1200℃(超過1200℃力學(xué)強(qiáng)度會(huì)下降)。

2.機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性耐磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)980MPa以上，能與合金鋼相比，而且強(qiáng)度可以一直維持到1200°不下降。

3.熱穩(wěn)定高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)高，抗熱震性好，從室溫到1000℃熱沖擊不會(huì)開裂。

4.化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，除氫氟酸外不與其他其他無機(jī)酸反應(yīng)，濃度在30%以下燒堿（NaOH）溶液的腐蝕，也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕，對(duì)多種有色金屬熔融體（特別是鋁液）不潤濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻照。800℃干燥氣氛下不與氧發(fā)生反應(yīng)，超過800℃，開始在表面生成氧化硅膜，隨著溫度升高氧化硅膜逐漸變穩(wěn)定，1000℃左右可與氧生成致密氧化硅膜。可保持至1400℃基本穩(wěn)定。?

5.密度低，比重小，僅是鋼的2/5，電絕緣性好。

6.氮化硅陶瓷還有良好的透微波性能、介電性以及高溫強(qiáng)度，可作為導(dǎo)彈和飛機(jī)的雷達(dá)天線罩。

氮化硅陶瓷的應(yīng)用

航天軍工領(lǐng)域

以飛機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例。燃燒室燃燒區(qū)溫度高達(dá)1800-2000℃，引入氣流冷卻后，燃燒室壁溫仍然在900℃以上。

陶瓷氮化硅耐熱，可在1400℃時(shí)仍然有很高的強(qiáng)度、剛度，使用連續(xù)纖維增強(qiáng)的增強(qiáng)陶瓷可應(yīng)用于渦輪部件，特別是小發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷葉片，渦輪外環(huán)和空氣軸承。

此外，氮化硅陶瓷比密度小，密度僅為鋼軸承的41%，可有效降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量，減少油耗。

機(jī)械工程領(lǐng)域

氮化硅陶瓷摩擦系數(shù)小，有自潤滑性，強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，體積受溫度變化小，有效防止球或密封環(huán)卡死，可承受嚴(yán)酷的工作環(huán)境，制成球閥、泵體、密封環(huán)、過濾器、熱交換器部件、固定化觸媒載體等。制成軸承滾珠，工作壽命也高于一般軸承，但制作成本也比較高。氮化硅摩擦系數(shù)小，用于高溫軸承，其工作溫度可達(dá)1200℃，比普通合金軸承的工作溫度提高2.5倍，而工作速度是普通軸承的10倍?。經(jīng)試驗(yàn)表明，氮化硅制成的渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可減少40%，增壓響應(yīng)時(shí)間快30%，明顯改進(jìn)了低速時(shí)的加速度。并且氮化硅陶瓷在渦輪增壓器上的應(yīng)用，為車用渦輪增壓器上的輕量化技術(shù)提供了可能。

氮化硅制陶瓷更適用于更高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷以及高溫的環(huán)境。利用氮化硅制備高速、高精度剛性主軸的精密陶瓷軸承，其最高制造精度可達(dá)P4至UP級(jí)。氮化硅或氮化硅基陶瓷復(fù)合材料也因此被公認(rèn)是制造軸承及其零件最理想的材料。目前氮化硅陶瓷軸承主要用于四個(gè)方面：①高速軸承②高溫軸承③真空用軸承④腐蝕用軸承。

超細(xì)研磨領(lǐng)域

氮化硅硬度高，硬度僅次于金剛石，立方氮化硼。因其消耗非常低，降低了研磨介質(zhì)的磨損及對(duì)研磨材料的污染，有利于獲取更高純度的超細(xì)粉體。氮化硅陶瓷球則是在非氧化環(huán)境中高溫?zé)Y(jié)的精密陶瓷制品，具有耐酸堿、耐腐蝕等特性，不僅可以在海水中長期使用，絕緣性、自潤滑性也十分優(yōu)異，因此可以使用到無潤滑介質(zhì)高污染的環(huán)境中。在800℃時(shí)，氮化硅陶瓷球強(qiáng)度、硬度幾乎不變，重量幾乎是軸承鋼的1/3的重量，旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。由此氮化硅陶瓷球不但能成為陶瓷軸承、混合陶瓷軸承的首選球珠，在超細(xì)研磨領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。

汽車內(nèi)燃機(jī)材質(zhì)

目前汽車內(nèi)燃機(jī)耐熱部位制造材料為鎳基耐熱材料，工作溫度在1000℃左右。若采用陶瓷材料，則可以將工作溫度提高到1300℃，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高30%左右。陶瓷具有較高的高溫強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)性，可延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

阻礙陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導(dǎo)致的低可靠性。若能解決這個(gè)問題，將會(huì)給人類社會(huì)的發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。

柴油機(jī)電熱塞（預(yù)熱塞）

利用氮化硅陶瓷很好的電絕緣性和耐急冷急熱性可以用來做電熱塞，氮化硅陶瓷電熱塞升溫至1000℃時(shí)間比金屬電熱塞快、工作溫度高，用它進(jìn)行汽車點(diǎn)火可使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間大大縮短，并能在寒冷天氣迅速起動(dòng)汽車。
除此之外氮化硅還可以做發(fā)熱體，廣泛應(yīng)用于直熱及貯水式、節(jié)能快熱式電熱水器，快熱式液體加熱、電暖、冷熱飲機(jī)、空調(diào)加熱器，直熱水龍頭、恒溫器、蒸氣發(fā)生器等家用、工業(yè)、商務(wù)用電熱器行業(yè)。

冶金領(lǐng)域

氮化硅陶瓷材料的化學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)異的機(jī)械性能，使其在冶金領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。氮化硅具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性，抗熱氧化溫度可達(dá)1400℃，使用溫度達(dá)1200℃。在中性或者還原氣氛中使用溫度可達(dá)1800℃。此外氮化硅熱膨脹性小，可用于極冷急熱的工況環(huán)境。
?氮化硅陶瓷具有的抗鋁液腐蝕的特性讓其在鑄鋁連軋生產(chǎn)線和煉鋁、熔鋁作業(yè)中，可用來制作測溫?zé)犭娕脊芴?、煉鋁爐爐襯、鋁液包子內(nèi)襯、坩堝、鑄鋁模具、鋁電解槽等用具。例如氮化硅陶瓷制成的熱電偶管套用于鋁液測溫這一技術(shù)已經(jīng)開始在我國普及，這種管套相較于常用的不銹鋼、剛玉陶瓷管套在使用性能上更加優(yōu)異，畢竟不銹鋼容易被鋁液腐蝕，連續(xù)使用20h后就會(huì)被損壞，剛玉更是經(jīng)不起熱沖擊。而在鋁液中性能長期穩(wěn)定、間歇測溫1200次以上都不開裂的氮化硅陶瓷管套在加工過程中可謂是一大利器。

高性能機(jī)床切削刀具

現(xiàn)代化加工過程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術(shù)。氮化硅刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍，比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可它在高速條件下切削加工并持續(xù)較長時(shí)間，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3倍以上。

?

它可以實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”及“干切削技術(shù)”，提高零件加工表面質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)干式切削，對(duì)控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景。
20世紀(jì)70年代末80年代初國際上第三代陶瓷刀具——氮化硅陶瓷刀具才出現(xiàn)。這類刀具比第二代復(fù)合氧化鋁刀具更高的韌性、抗沖擊性、高溫強(qiáng)度和抗熱震性。氮化硅刀具主要適用于鑄鐵、高溫合金的粗加工、高速切削和重切削，其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性可在高速條件下長時(shí)間進(jìn)行切削加工運(yùn)作，比普通硬質(zhì)合金刀具運(yùn)行效率平均提高三倍以上。

在半導(dǎo)體、航空、原子能等工業(yè)上用于制造開關(guān)電路基片、薄膜電容器、承受高溫或溫度劇變的電絕緣體、雷達(dá)天線罩、導(dǎo)彈尾噴管、原子反應(yīng)堆中的支承件和隔離件、核裂變物質(zhì)的載體等。

氮化硅陶瓷的應(yīng)用初期主要用在機(jī)械、冶金、化工、航空、半導(dǎo)體等工業(yè)上，做某些設(shè)備或產(chǎn)品的零部件，取得了很好的預(yù)期效果。近年來，隨著制造工業(yè)和測試分析技術(shù)的發(fā)展，氮化硅陶瓷制品的可靠性不斷提高，因此應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。正在研制的氮化硅質(zhì)的全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)可望代替同類型金屬發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量、小型、高功率、節(jié)能、省料、高速度以及長壽命、少污染等目標(biāo)。

氮化硅粉

氮化硅粉與氮化硅陶瓷的關(guān)系

制備氮化硅陶瓷材料首先需要獲得氮化硅粉體，再經(jīng)過成型、燒結(jié)等工藝，最后得到所需要的氮化硅陶瓷，其中粉體主要制備方法有硅粉氮化法、液相反應(yīng)法、自蔓延高溫合成法；主要成型工藝有干壓成型、冷等靜壓成型、流延成型；主要燒結(jié)工藝有熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等。納米氮化硅、超細(xì)氮化硅粉通過特殊工藝方法制備，純度高，粒徑小，分布均勻，比表面積大，表面活性高，松裝密度低，紫外線反射率為95%以上和吸收紅外波段的吸收率在97%以上。

粉體的特殊應(yīng)用

1.金屬及其它材料表面處理：如模具、切削刀具、汽輪機(jī)葉片、渦輪轉(zhuǎn)子以及汽缸內(nèi)壁涂層等合金。

2.復(fù)合材料：如金屬、陶瓷及石墨基復(fù)合材料，橡膠、塑膠、涂料、膠粘劑及其它高分子基復(fù)合材料，其在復(fù)合材料中形成細(xì)微的彌散相，耐化學(xué)腐蝕性能好，特別是高溫度強(qiáng)度大，并有自潤滑效果從而大大地提高了復(fù)合材料的綜合性能。

3.耐磨自潤滑納米顆粒薄膜，用于手機(jī)、高級(jí)汽車等表面保護(hù)，耐磨涂料、電泳漆添加劑，起到高耐磨特性。氮化硅硬度高，滑動(dòng)摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)可以應(yīng)用于金屬表面陶瓷耐磨復(fù)合鍍，應(yīng)用到涂料中可以起到耐磨與耐溶劑特性，高純度氮化硅可以用在石英坩堝脫模劑用。

? ???隨著氮化硅陶瓷的廣泛應(yīng)用，氮化硅粉勢必向著綠色環(huán)保、低成本方向發(fā)展。高純度的氮化硅粉體將成為推動(dòng)氮化硅陶瓷材料發(fā)展的關(guān)鍵。