基本介紹
- 中文名：氮化矽陶瓷
- 外文名：silicon nitride ceramics
- 材料：無機材料
- 地位：世界上最堅硬的物質之一
- 特例：熱壓氮化矽
基本性質,材料性能,工藝方法,製備方法,研究現狀,相關套用,
基本性質
氮化矽的很多性能都歸結於此結構。純Si3N4為3119，有α和β兩種晶體結構，均為六角晶形，其分解溫度在空氣中為1800℃，在110MPa氮中為1850℃。Si3N4 熱膨脹係數低、導熱率高，故其耐熱衝擊性極佳。熱壓燒結的氮化矽加熱到l000℃後投入冷水中也不會破裂。在不太高的溫度下，Si3N4 具有較高的強度和抗衝擊性，但在1200℃以上會隨使用時間的增長而出現破損，使其強度降低，在1450℃以上更易出現疲勞損壞，所以Si3N4 的使用溫度一般不超過1300℃。由於Si3N4 的理論密度低，比鋼和工程超耐熱合金鋼輕得多，所以，在那些要求材料具有高強度、低密度、耐高溫等性質的地方用Si3N4 陶瓷去代替合金鋼是再合適不過了。
材料性能
Si3N4 陶瓷材料作為一種優異的高溫工程材料，最能發揮優勢的是其在高溫領域中的套用。Si3N4 今後的發展方向是：⑴充分發揮和利用Si3N4 本身所具有的優異特性；⑵在Si3N4 粉末燒結時，開發一些新的助熔劑，研究和控制現有助熔劑的最佳成分；⑶改善制粉、成型和燒結工藝； ⑷研製Si3N4 與SiC等材料的複合化，以便製取更多的高性能複合材料。Si3N4 陶瓷等在汽車發動機上的套用，為新型高溫結構材料的發展開創了新局面。汽車工業本身就是一項集各種科技之大成的多學科性工業，中國是具有悠久歷史的文明古國，曾在陶瓷發展史上做出過輝煌的業績，隨著改革開放的進程，有朝一日，中國也必然躋身於世界汽車工業大國之列，為陶瓷事業的發展再創輝煌。
它極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱後不會熔成融體，一直到1900℃才會分解，並有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和30%以下的燒鹼溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕；同時又是一種高性能電絕緣材料。
工藝方法
它是用矽粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形狀，在氮氣中及1200℃的高溫下進行初步氮化，使其中一部分矽粉與氮反應生成氮化矽，這時整個坯體已經具有一定的強度。然後在1350℃～1450℃的高溫爐中進行第二次氮化，反應成氮化矽。用熱壓燒結法可製得達到理論密度99%的氮化矽。
製備方法
Si3N4 陶瓷的製備技術在過去幾年發展很快，製備工藝主要集中在反應燒結法、熱壓燒結法和常壓燒結法、氣壓燒結法等類型. 由於製備工藝不同，各類型氮化矽陶瓷具有不同的微觀結構（如孔隙度和孔隙形貌、晶粒形貌、晶間形貌以及晶間第二相含量等）。因而各項性能差別很大 。要得到性能優良的Si3N4 陶瓷材料，首先應製備高質量的Si3N4 粉末. 用不同方法製備的Si3N4 粉質量不完全相同，這就導致了其在用途上的差異，許多陶瓷材料套用的失敗，往往歸咎於開發者不了解各種陶瓷粉末之間的差別，對其性質認識不足。一般來說，高質量的Si3N4 粉應具有α相含量高，組成均勻，雜質少且在陶瓷中分布均勻，粒徑小且粒度分布窄及分散性好等特性。好的Si3N4 粉中α相至少應占90%，這是由於Si3N4 在燒結過程中,部分α相會轉變成β相，而沒有足夠的α相含量，就會降低陶瓷材料的強度。
反應燒結法（ RS)
是採用一般成型法，先將矽粉壓製成所需形狀的生坯，放入氮化爐經預氮化（部分氮化）燒結處理，預氮化後的生坯已具有一定的強度，可以進行各種機械加工（如車、刨、銑、鑽). 最後，在矽熔點的溫度以上；將生坯再一次進行完全氮化燒結，得到尺寸變化很小的產品（即生坯燒結後，收縮率很小，線收縮率< 011% ). 該產品一般不需研磨加工即可使用。反應燒結法適於製造形狀複雜，尺寸精確的零件，成本也低，但氮化時間很長。
熱壓燒結法（ HPS)
是將Si3N4 粉末和少量添加劑（如MgO、Al2O3、MgF2、Fe2O3 等），在1916 MPa以上的壓強和1600 ℃以上的溫度進行熱壓成型燒結。英國和美國的一些公司採用的熱壓燒結Si3N4 陶瓷，其強度高達981MPa以上。燒結時添加物和物相組成對產品性能有很大的影響。由於嚴格控制晶界相的組成，以及在Si3N4 陶瓷燒結後進行適當的熱處理，所以可以獲得即使溫度高達1300 ℃時強度（可達490MPa以上）也不會明顯下降的Si3N4系陶瓷材料，而且抗蠕變性可提高三個數量級。若對Si3N4 陶瓷材料進行1400———1500 ℃高溫預氧化處理，則在陶瓷材料表面上形成Si2N2O相，它能顯著提高Si3N4 陶瓷的耐氧化性和高溫強度。熱壓燒結法生產的Si3N4 陶瓷的機械性能比反應燒結的Si3N4 要優異，強度高、密度大。但製造成本高、燒結設備複雜，由於燒結體收縮大，使產品的尺寸精度受到一定的限制，難以製造複雜零件，只能製造形狀簡單的零件製品，工件的機械加工也較困難。
常壓燒結法（ PLS)
在提高燒結氮氣氛壓力方面，利用Si3N4 分解溫度升高（通常在N2 = 1atm氣壓下，從1800℃開始分解）的性質，在1700———1800℃溫度範圍內進行常壓燒結後，再在1800———2000℃溫度範圍內進行氣壓燒結。該法目的在於採用氣壓能促進Si3N4 陶瓷組織緻密化，從而提高陶瓷的強度.所得產品的性能比熱壓燒結略低。這種方法的缺點與熱壓燒結相似。
氣壓燒結法（ GPS)
近幾年來,人們對氣壓燒結進行了大量的研究，獲得了很大的進展。氣壓燒結氮化矽在1 ～10MPa氣壓下，2000℃左右溫度下進行。高的氮氣壓抑制了氮化矽的高溫分解。由於採用高溫燒結，在添加較少燒結助劑情況下，也足以促進Si3N4晶粒生長，而獲得密度> 99%的含有原位生長的長柱狀晶粒高韌性陶瓷. 因此氣壓燒結無論在實驗室還是在生產上都得到越來越大的重視. 氣壓燒結氮化矽陶瓷具有高韌性、高強度和好的耐磨性，可直接製取接近最終形狀的各種複雜形狀製品，從而可大幅度降低生產成本和加工費用. 而且其生產工藝接近於硬質合金生產工藝，適用於大規模生產。
研究現狀
相關套用
利用Si3N4 重量輕和剛度大的特點，可用來製造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更高的精度，產生熱量少，而且能在較高的溫度和腐蝕性介質中操作。用Si3N4 陶瓷製造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱等特性，用於650℃鍋爐幾個月後無明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合金鋼噴嘴在同樣條件下只能使用1 - 2個月.由中科院上海矽酸鹽研究所與機電部上海內燃機研究所共同研製的Si3N4 電熱塞，解決了柴油發動機冷態起動困難的問題，適用於直噴式或非直噴式柴油機。這種電熱塞是當今最先進、最理想的柴油發動機點火裝置。日本原子能研究所和三菱重工業公司研製成功了一種新的粗製泵，泵殼內裝有由11個Si3N4 陶瓷轉盤組成的轉子。由於該泵採用熱膨脹係數很小的Si3N4 陶瓷轉子和精密的空氣軸承，從而無需潤滑和冷卻介質就能正常運轉。如果將這種泵與超真空泵如渦輪———分子泵結合起來，就能組成適合於核聚變反應堆或半導體處理設備使用的真空系統。
以上只是Si3N4 陶瓷作為結構材料的幾個套用實例，相信隨著Si3N4 粉末生產、成型、燒結及加工技術的改進，其性能和可靠性將不斷提高，氮化矽陶瓷將獲得更加廣泛的套用。由於Si3N4 原料純度的提高，Si3N4 粉末的成型技術和燒結技術的迅速發展，以及套用領域的不斷擴大，Si3N4 正在作為工程結構陶瓷，在工業中占據越來越重要的地位。Si3N4 陶瓷具有優異的綜合性能和豐富的資源，是一種理想的高溫結構材料，具有廣闊的套用領域和市場，世界各國都在競相研究和開發。陶瓷材料具有一般金屬材料難以比擬的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化性、抗熱衝擊及低比重等特點。可以承受金屬或高分子材料難以勝任的嚴酷工作環境，具有廣泛的套用前景。成為繼金屬材料、高分子材料之後支撐21世紀支柱產業的關鍵基礎材料，並成為最為活躍的研究領域之一，當今世界各國都十分重視它的研究與發展，作為高溫結構陶瓷家族中重要成員之一的Si3N4 陶瓷,較其它高溫結構陶瓷如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有更為優異的機械性能、熱學性能及化學穩定性. 因而被認為是高溫結構陶瓷中最有套用潛力的材料。
可以預言，隨著陶瓷的基礎研究和新技術開發的不斷進步，特別是複雜件和大型件製備技術的日臻完善，Si3N4 陶瓷材料作為性能優良的工程材料將得到更廣泛的套用。
