12033-89-5/氮化硅為什么被譽(yù)為是“綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷”？

特種陶瓷是指具有特殊力學(xué)、物理或化學(xué)性能的一類陶瓷，所用的原料和所需的生產(chǎn)工藝技術(shù)都與普通陶瓷有較大的不同和發(fā)展。按照特性和用途，特種陶瓷可分為兩大類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。其中，結(jié)構(gòu)陶瓷是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷，一般都具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。

結(jié)構(gòu)陶瓷種類繁多，優(yōu)缺點(diǎn)及擅長(zhǎng)的應(yīng)用方向各有異同，其中“氮化硅陶瓷”由于各方面性能較平衡，被譽(yù)為是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類，具有極其廣泛的應(yīng)用。具體是如何優(yōu)秀呢？下面便來一起看看。

氮化硅陶瓷的優(yōu)勢(shì)

氮化硅(Si3N4)可被劃分為共價(jià)鍵化合物，以[SiN4]4-四面體為結(jié)構(gòu)單元，氮原子和硅原子的具體位置從下圖可以看出，硅處于四面體中心，四面體四個(gè)頂點(diǎn)的位置被氮原子占據(jù)，然后每三個(gè)四面體共用一個(gè)原子，在三維空間中不斷重復(fù)延伸，最終形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。氮化硅的很多性能與這種四面體結(jié)構(gòu)相關(guān)。

氮化硅四面體

氮化硅存在有3種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是α、β和γ三相，其中α和β兩相是氮化硅最常出現(xiàn)的形式。由于氮原子之間結(jié)合得非常牢固，因此氮化硅具有良好的高強(qiáng)度、高硬度及耐高溫等性能，硬度可達(dá)HRA91~93；熱硬性好，能承受1300~1400℃的高溫；與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)較小導(dǎo)致其摩擦系數(shù)較低；具有自潤(rùn)滑性，因此耐磨損；抗腐蝕能力較強(qiáng)，除了氫氟酸以外，它不與其它無機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)，高溫時(shí)還具有抗氧化能力；它還具有良好的抗熱震性，在空氣中急劇冷卻再急劇加熱也不會(huì)碎裂；氮化硅陶瓷高溫蠕變小，在高溫和固定負(fù)載的作用下，所產(chǎn)生的緩慢塑性形變很小。

此外，氮化硅陶瓷還具有高比強(qiáng)、高比模、高熱導(dǎo)率、優(yōu)良的電學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，因此在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等極限環(huán)境下具有特殊的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是最具有發(fā)展應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一，在許多需要經(jīng)受考驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)合中常常成為首選，以下就對(duì)這些應(yīng)用方向做一個(gè)盤點(diǎn)。

氮化硅陶瓷的應(yīng)用

關(guān)于氮化硅的應(yīng)用，最早出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代，是作為碳化硅和氧化物的粘結(jié)相應(yīng)用于耐火材料，隨后用于制造坩堝、熱電偶管、火箭噴嘴等。上世紀(jì)60年代，隨著對(duì)高溫性能優(yōu)良的新型材料需求的增加，氮化硅陶瓷的發(fā)展速度明顯升高。目前，氮化硅材料的開發(fā)正以陶瓷與電子工業(yè)為主，不斷向其它應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。

1.氮化硅陶瓷軸承

陶瓷軸承從1972年研制成以來，得到迅速發(fā)展。已在精密機(jī)床，汽車，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，化工儀器，超導(dǎo)裝置等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。作為軸承材料考慮，最基本的特性是滾動(dòng)疲勞壽命，為評(píng)價(jià)各種陶瓷軸承的適用性，用陶瓷平板進(jìn)行滾動(dòng)壽命試驗(yàn)，其滾動(dòng)壽命排序結(jié)果為：氧化鋁＜碳化硅＜氧化鋯＜氮化硅。由此可見，在上述四種常見工程結(jié)構(gòu)陶瓷中，Si3N4最適合用作軸承材料。

氮化硅陶瓷材料應(yīng)用在風(fēng)電行業(yè)軸承中的情況主要分為兩類：氮化硅陶瓷軸承、氮化硅陶瓷滾動(dòng)體與鋼制軸承底座制成的混合陶瓷軸承。氮化硅陶瓷軸承是指內(nèi)外圈、滾動(dòng)體采用氮化硅陶瓷材料，保持器采用不銹鋼、尼龍、氧化鋯、氮化硅或特定鋁合金制成的軸承，其性能比混合陶瓷軸承佳。

2.航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域里，對(duì)材料性能的要求十分苛刻，挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)材料的極限。Si3N4因具有高溫強(qiáng)度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強(qiáng)度、出色耐熱沖擊性和摩擦學(xué)性能，應(yīng)用于航空航天是一個(gè)很好的選擇，能確保優(yōu)異的機(jī)械可靠性和耐磨性?？捎糜诳刂菩l(wèi)星軌道的火箭燃燒室推進(jìn)器，對(duì)材料要求很苛刻。由于高溫燃燒能夠獲得更大的推進(jìn)力，所以不但要求其材料質(zhì)輕，且能夠承受高溫。

氮化硅陶瓷尾噴管在航空航天的應(yīng)用

如上圖所示，日本京瓷公司研制的氮化硅火箭燃燒室高溫陶瓷推進(jìn)器（尾噴管）具有輕質(zhì)且能夠承受高溫氣體燃燒的優(yōu)勢(shì)（1300℃以上），可在其他材料無法適用的環(huán)境下應(yīng)用，從而取代了鈮合金等。

3.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的Si3N4陶瓷部件包括：增壓器渦輪轉(zhuǎn)子，預(yù)熱燃燒室，搖臂鑲塊，噴射器連桿，氣門導(dǎo)管，陶瓷活塞頂，電熱塞等，尤其是難度最大的陶瓷轉(zhuǎn)子產(chǎn)品已進(jìn)入某些陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，小型渦輪轉(zhuǎn)子已進(jìn)入商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

4.氮化硅陶瓷散熱基板

電子行業(yè)中的散熱基板需要及時(shí)有效地將集成電路中各元器件的熱量排出，另外，基板需要具備足夠強(qiáng)的機(jī)械性能，以應(yīng)對(duì)溫度、壓力等條件十分苛刻的場(chǎng)合。氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率雖然比氮化鋁、氧化鈹?shù)?，但明顯高于一般的結(jié)構(gòu)陶瓷，基本能夠滿足基板的散熱需求；而且，氮化硅陶瓷的強(qiáng)度和斷裂韌性遠(yuǎn)高于其它的基板類陶瓷，是綜合性能十分優(yōu)越的散熱基板材料，已經(jīng)在高鐵、電動(dòng)汽車的電控系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用。

5.其他領(lǐng)域應(yīng)用

氮化硅陶瓷由于具有優(yōu)良的耐高溫，耐腐蝕等性能，可用于化工耐腐蝕耐磨部件，半導(dǎo)體工業(yè)，包括國防工業(yè)用導(dǎo)彈天線罩，生物醫(yī)療用陶瓷材料，核電主泵用作密封環(huán)，多晶硅還原爐用氮化硅陶瓷環(huán)，隔熱盤罩，新開發(fā)的氮化硅陶瓷螺旋彈簧，不僅在1000℃溫度下可保持高強(qiáng)度，而且具有極強(qiáng)的耐腐蝕性，用于特殊閥門中。

左：氮化硅螺旋彈簧右：氮化硅軸承球、環(huán)，刀具

總之，作為綜合性能最為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，氮化硅的諸多應(yīng)用方向受到工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室的關(guān)注，相信其憑借獨(dú)特性能在未來仍有廣闊的發(fā)展空間。

資料來源

氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷組織及性能研究，王旭東。

氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的研究與應(yīng)用進(jìn)展，楊亮亮，謝志鵬，李雙，宋明。

粉體圈整理