2014年第05期
吉林省教育学院学报
No.05，2014
第30卷JOUＲNAL OF EDUCATIONAL INSTITUTE OF JILIN PＲOVINCE
Vol .30（总365期）
Total No .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
3
51DOI:10.16083/https://www.doczj.com/doc/b3970507.html,ki.jeijp.2014.05.001
烧结，坯体内外整体性加热。Si3N4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Si3N4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
3
N
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。Si3N4材料的发展方向是：充分发挥和利用Si3N4本身所具有的优异特性，在
Si
3
N
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。Si3N4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Si3N4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］
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题目名称：氮化硅陶瓷的制备 学院名称：材料科学与工程学院 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 2014 年 4 月
氮化硅陶瓷的制备 1．简介 1.1 应用背景 作为结构陶瓷，氮化硅陶瓷材料具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能以及良好的抗热震性能，广泛应用于航空航天、机械、电子电力、化工等领域。采用适当的烧结助剂可有效提高氮化硅陶瓷材料的热导率，增加材料断裂韧性，促进材料性能完善。 研究结果表明，以CeO2为烧结助剂，氮化硅的相变转换率为100%；当CeO2含量不超过8mol%时，氮化硅晶界相的构成主要为Ce4.67(SiO4)3O、Si2ON2以及Ce2Si2O7，其结晶析出状况随烧结助剂含量增加呈规律性变化；晶粒尺寸随烧结助剂含量增加变化微弱，长柱状晶数目增多。烧结助剂CeO2通过对晶界相及微观结构的影响作用于氮化硅陶瓷材料相对密度、强度、硬度及断裂韧性，CeO2含量变化对氮化硅陶瓷材料力学性能影响显著。当CeO2含量不超过7mol%时，氮化硅陶瓷材料的热扩散系数及热导率随CeO2含量增加而升高，CeO2含量由1mol%增加至7mol%时，氮化硅陶瓷材料热扩散系数增加50%，热导率增加38.7%。且氮化硅热传导导机制为声子导热，其热导率的大小依赖于氮化硅晶粒的净化程度。 1.2 研究意义 作为信息、交通、航空航天等科技领域发展基础之一的电力电子技术，应其对电力的有效控制与转换的要求，电子器件一直向小尺寸、高密度、大电流、大功率的趋势发展。伴随大功率、超大规模集成电路的发展，其所面临的热障问题愈加突出，器件设计中的热耗散问题亟待解决（在温度高于100℃时，电路失效率会随着温度的升高成倍增长）。较玻璃、树脂等材料，电子陶瓷材料凭借其优异的绝缘性能、化学稳定性以及与芯片最为相似的热膨胀系数使其在基板材料中占据重要地位。降低基板材料热阻的主要途径有两种：减小基板厚度、提高材料热导率，为此对基板材料强度要求升高。高热导率陶瓷材料主要应用于集成电路（IC）衬底，多芯片组装（MCM）基板、封装以及大功率器件散热支撑件等部位，其中研究较多的有Al2O3、BeO、AlN、BN、Si3N4、SiC 等陶瓷材料。其中多晶氧化铝的热导为25~35Wm-1K-1，其单晶结构热导为40Wm-1K-1。而以高热导率著称的氧化铍，热导率在240 Wm-1K-1左右，但因为使用安全问题而被氮化铝替代。SiC的介电性能远低于其它基板材料，易被击穿，故其使用受到限制。而现今性能较为优异的两种封装材料：氮化铝与氧化铍，前者造价昂贵后者具有毒性。氮化铝的热导率范围为175~200 Wm-1K-1，但其弯曲强度在300~350MPa之间，远低于氮化硅陶瓷材料（600~1500MPa），且氮化硅的热膨胀系数低于以上高热导率陶瓷材料。 高热导率氮化硅陶瓷材料具有其他陶瓷材料无法比拟的高强度、高断裂韧性以及抗热震性能，其作为一种理想的结构材料可以为电子器件的热耗散设计提供一种新的材料选择。具有较高热导率的高性能氮化硅陶瓷的制备需求随着氮化硅陶瓷材料的潜
一种氮化硅陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化硅80100份、氧化镁2030份、氧化铝1518份、氟化镁2025份、三氧化二铁1518份、高岭土58份、聚乙二醇58份、硅烷偶联剂25份、水3040份。本技术提出的氮化硅陶瓷耐磨性好、韧性好、润滑性好，使用寿命长，其抗蠕变性提高三个数量级。 权利要求书 1.一种氮化硅陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化硅80-100份、氧化镁20-30份、氧化铝15-18份、氟化镁20-25份、三氧化二铁15-18份、高岭土5-8份、聚乙二醇5-8份、硅烷偶联剂2-5份、水30-40份。 2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化硅84份、氧化镁23份、氧化铝16份、氟化镁22份、三氧化二铁16份、高岭土6份、聚乙二醇6份、硅烷偶联剂3份、水33份。 3.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化硅87份、氧化镁28份、氧化铝17份、氟化镁24份、三氧化二铁17份、高岭7份、聚乙二醇7份、硅烷偶联剂4份、水36份。 技术说明书 一种氮化硅陶瓷 技术领域
本技术属于氮化硅陶瓷材料领域，特别是涉及一种氮化硅陶瓷。 背景技术 目前通道、管道用的材料有铝合金材料、陶瓷等，铝合金材料耐磨性差，槽道容易消失，影响色选精度，要经常更换，成本高；目前所用的陶瓷材料脆性大，耐磨性不太高，不耐冷热刺激，耐酸碱性差，因此需要研究耐磨性好，硬度高，韧性好，耐震动，耐热，耐腐蚀等性能优异的陶瓷材料，以降低成本。 技术内容 针对现有陶瓷材料的缺陷，本技术的目的在于提出一种耐磨性好、润滑性好、使用寿命长的氮化硅陶瓷。 本技术的目的是采用以下技术方案来实现。依据本技术提出的一种氮化硅陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化硅80-100份、氧化镁20-30 份、氧化铝15-18份、氟化镁20-25份、三氧化二铁15-18份、高岭土5-8 份、聚乙二醇5-8份、硅烷偶联剂2-5份、水30-40份。 本技术的目的还采用以下技术措施来进一步实现。 所述氮化硅陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化硅84份、氧化镁23份、氧化铝16份、氟化镁22份、三氧化二铁16份、高岭土6份、聚乙二醇6份、硅烷偶联剂3份、水33份。 所述氮化硅陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化硅87份、氧化镁28份、氧化铝17份、氟化镁24份、三氧化二铁17份、高岭7份、聚乙二醇7份、硅烷偶联剂4份、水36份。 本技术提出的氮化硅陶瓷耐磨性好、韧性好、润滑性好，使用寿命长，其抗蠕变性提高三个数量级。 上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，
摘要氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、 抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅陶瓷的发展前景。
Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces the basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.
氮化硅陶瓷材料的制备及应用 氮化硅，子式为Si3N4,是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机 一、材料的制备 Si3N4 陶瓷的制备技术在过去几年发展很快,制备工艺主要集中在反应烧结法、热压烧结法和常压烧结法、气压烧结法等类型. 由于制备工艺不同,各类型氮化硅陶瓷具有不同的微观结构(如孔隙度和孔隙形貌、晶粒形貌、晶间形貌以及晶间第二相含量等). 因而各项性能差别很大 . 要得到性能优良的Si3N4 陶瓷材料,首先应制备高质量的Si3N4 粉末. 用不同方法制备的Si3N4 粉质量不完全相同,这就导致了其在用途上的差异,许多陶瓷材料应用的失败,往往归咎于开发者不了解各种陶瓷粉末之间的差别,对其性质认识不足. 一般来说,高质量的Si3N4 粉应具有α相含量高,组成均匀,杂质少且在陶瓷中分布均匀,粒径小且粒度分布窄及分散性好等特性. 好的Si3N4 粉中α相至少应占90%,这是由于Si3N4 在烧结过程中,部分α相会转变成β相,而没有足够的α相含量,就会降低陶瓷材料的强度. 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. 2、热压烧结法( HPS) 是将Si3N4 粉末和少量添加剂(如MgO、Al2O3、MgF2、Fe2O3 等) ,在1916 MPa以上的压强和1600 ℃以上的温度进行热压成型烧结. 英国和美国的一些公司采用的热压烧结Si3N4 陶瓷,其强度高达981MPa以上. 烧结时添加物和物相组成对产品性能有很大的影响. 由于严格控制晶界相的组成,以及在Si3N4 陶瓷烧结后进行适当的热处理,所以可以获得即使温度高达1300 ℃时强度(可达490MPa以上)也不会明显下降的Si3N4系陶瓷材料,而且抗蠕变性可提高三个数量级. 若对Si3N4 陶瓷材料进行1400———1500 ℃高温预氧化处理,则在陶瓷材料表面上形成Si2N2O相,它能显著提高Si3N4 陶瓷的耐氧化性和高温强度. 热压烧结法生产的Si3N4 陶瓷的机械性能比反应烧结的Si3N4 要优异,强度高、密度大. 但制造成本高、烧结设备复杂,由于烧结体收缩大,使产品的尺寸精度受到一定的限制,难以制造复杂零件,只能制造形状简单的零件制品,工件的机械加工也较困难. 3、常压烧结法( PLS) 在提高烧结氮气氛压力方面,利用Si3N4 分解温度升高(通常在N2 = 1atm气压下,从
氮化硅陶瓷增韧调研报告 1、前言 氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨蚀，抗热震能力强，抗化学腐蚀，低导热系数，密度相对较小，是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料，亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料，近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。 但是，已有的研究对氮化硅陶瓷的脆性缺陷仍未获得彻底改善，从而大大限制了它的实际应用。如何提高氮化硅韧性仍是人们研究的焦点。目前从事氮化硅陶瓷研究的学者为了提高其韧性，主要从两大方面着手进行韧性改善。一是通过进行“显微结构设计”来提高氮化硅陶瓷的韧性。即降低气孔的含量，控制杂质的含量，提高氮化硅陶瓷的密度、纯度；对氮硅陶瓷的晶型、晶粒尺寸、发育完整程度进行控制；对晶界的大小、材质进行调控；对玻璃相的数量、性质、分布状态等进行控制，以求在烧结后获得最佳韧性的显微组织，从而提高氮化硅陶瓷的韧性【1】。二是在上述基础上开展的“晶界工程”研究。氮化硅陶瓷常以多晶陶瓷的形式出现，而对多晶材料而言，当晶体较小为微米或纳米级时，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学性能等的一个极其重要的因素。对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度，尤其是晶界高温强度是决定其能否作为高温工程材料运用的关键。氮化硅是强共价键化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时它的晶界能V gb与粉末表面能V sv的比值(V gb/ V sv) 比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力Δv 较小，决定了纯氮化硅无法靠常规的固相烧结达到致密化，必须加入少量氧化物烧结助剂，在高温烧结过程中它们与氮化硅表面SiO2反应形成液相，通过液相烧结成致密体，冷却后该液相呈玻璃态存在于晶界。而此玻璃相的性能在很大程度上决定了氮化硅陶瓷材料的性能。为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界结晶化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程”【2】。 2、氮化硅陶瓷增韧研究现状
氮化硅材料的性能、合成方法及进展 摘要：氮化硅作为一种新型无机材料，以其有良好的润滑性，耐磨性，抗氧化等特性受到广泛的关注和深入的研究。以下对氮化硅的材料的性能、合成方法、意义和进展作简单介绍。 关键词：无机材料；氮化硅；合成方法；性能；进展 1前言 由于科学技术的不断发展需要，科学家们一直在不停顿地寻找适用于苛刻条件下使用的理想的新材料。在层出不穷的大量新材料队伍中，氮化硅陶瓷可算是脱颖而出，十分引人注目，日益受到世界各国科学家们的重视。 2氮化硅的材料的性能\合成方法、意义和进展 2.1氮化硅的性能和应用 氮化硅（Si3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 2.1.1优异的性能 氮化硅陶瓷的优异的性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有： (1)机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到1200℃不下降。 (2)热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到1000℃的热冲击不会开裂。 (3)化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF除外）和浓度在30％以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。 (4)密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。
氮化硅陶瓷讲解
氮化硅陶瓷及其制备成型工艺 氮化硅（Si 3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N 成分为70 %，离子键为30 %，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。 Si3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。 在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。 在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。 晶体的常见参数如下图所示：
氮化硅 氮化硅，分子式为Si3N4,是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应(反应方程式：Si3N4+4HF+9H2O=====3H2SiO3(沉淀)+4NH4F），抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。 【氮化硅的应用】 氮化硅用做高级耐火材料，如与sic结合作SI3N4-SIC耐火材料用于高炉炉身等部位； 如与BN结合作SI3N4-BN材料，用于水平连铸分离环。SI3N4-BN系水平连铸分离环是一种细结构陶瓷材料，结构均匀，具有高的机械强度。耐热冲击性好，又不会被钢液湿润，符合连珠的工艺要求。见下表 性能AL2O 3 ZrO 2 熔融石英 （SiO2） ZrO2 -MO金 属陶瓷 反应结合 Si3N4 热压 Si3N4 热压 BN 反应结合 SiN4-BN 抗热震性差差好好中好好好 抗热应力差差好好中好好好 尺寸加工精度与易 加工性能 差差好差好差好好 耐磨性好好中好好好好好 耐侵蚀性好好差好好好好 相对分子质量140.28。灰色、白色或灰白色。六方晶系。晶体呈六面体。密度3.44。 硬度9~9.5，努氏硬度约为2200，显微硬度为32630MPa。熔点1900℃（加压下）。通常在常压下1900℃分解。比热容为0.71J/(g·K)。生成热为-751.57kJ/mol。热导率为 16.7W/(m·K)。线膨胀系数为2.75×10-6/℃(20~1000℃)。不溶于水。溶于氢氟酸。在空 气中开始氧化的温度1300~1400℃。比体积电阻，20℃时为1.4×105 ·m,500℃时为4×108 ·m。弹性模量为28420~46060MPa。耐压强度为490MPa（反应烧结的）。1285摄式度时与二氮化二钙反应生成二氮硅化钙，600度时使过渡金属还原，放出氮氧化物。 抗弯强度为147MPa。可由硅粉在氮气中加热或卤化硅与氨反应而制得。可用作高温陶瓷原料。 氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性
摘要氮化硅瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构瓷，它具有强度高、抗 热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅瓷的基本性质，综述了氮化硅瓷的制备工艺和国外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅瓷的发展前景。
Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces the basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.
对于氮化硅这种无机非金属材料的介绍 氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。 亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和弗里德里希·维勒在1857年首次报道了氮化硅的合成方法。在他们报道的合成方法中，为减少氧气的渗入而把另一个盛有硅的坩埚埋于一个装满碳的坩埚中加热。他们报道了一种他们称之为硅的氮化物的产物，但他们未能弄清它的化学成分。1879年Paul Schuetzenberger通过将硅与衬料（一种可作为坩埚衬里的糊状物，由木炭、煤块或焦炭与粘土混合得到）混合后在高炉中加热得到的产物，并把它报道为成分是Si3N4的化合物。1910年路德维希·魏斯和特奥多尔·恩格尔哈特在纯的氮气下加热硅单质得到了Si3N4。1925年Friederich和Sittig利用碳热还原法在氮气气氛下将二氧化硅和碳加热至1250-1300°C合成氮化硅 在后来的数十年中直到应用氮化硅的商业用途出现前，氮化硅未受到重视和研究。从1948年至1952年期间，艾奇逊开办在纽约州尼亚加拉大瀑布附近的金刚砂公司为氮化硅的制造和使用注册了几项专利。1958年联合碳化物公司生产的氮化硅被用于制造热电偶管、火箭喷嘴和熔化金属所使用的坩埚。英国对氮化硅的研究工作始于1953年，目的是为了制造燃气涡轮机的高温零件。由此使得键合氮化硅和热压氮化硅得到发展。1971年美国国防部下属的国防高等研究计划署与福特和西屋公司签订一千七百万美元的合同研制两种陶瓷燃气轮机。 虽然氮化硅的特性已经早已广为人知，但在地球自然界中存在的氮化硅（大小约为2×5μm）还是在二十世纪90年代才在陨石中被发现。为纪念质谱研究的先驱阿尔弗雷德·奥托·卡尔·尼尔将自然界中发现的此类氮化硅矿石冠名为“nierite”。不过有证据显示可能在更早之前就在前苏联境内的阿塞拜疆发现过这种存在于陨石中的氮化硅矿石。。含有氮化硅矿物的陨石也曾在中国贵州省境内发现过。除存在于地球上的陨石中以外，氮化硅也分布于外层空间的宇宙尘埃中。 氮化硅陶瓷制品的生产方法有两种，即反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法是将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生产方法成型。然后在氮化炉内，在1150~1200℃预氮化，获得一定强度后，可在机床上进行机械加工，接着在1350~1450℃进一步氮化18~36h，直到全部变为氮化硅为止。这样制得的产品尺寸精确，体积稳定。热压烧结法则是将氮化硅粉与少量添加剂（如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等），在19.6MPa以上的压力和1600~1700℃条件下压热成型烧结。通常热压烧结法制得的产品比反应烧结制得的产品密度高，性能好。 氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。 氮化硅陶瓷材料可用于高温工程的部件，冶金工业等方面的高级耐火材料，化工工业中抗腐蚀部件和密封部件，机械加工工业的刀具和刃具等。 由于氮化硅与碳化硅、氧化铝、二氧化钍、氮化硼等能形成很强的结合，所以可用作结合材料，以不同配比进行改性。
氮化硅陶瓷材料 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
摘要氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅陶瓷的发展前 景。
Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces the basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.
氮化硅陶瓷及其制备成型工艺 氮化硅（Si3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N成分为70 %，离子键为30 %，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。 Si3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。 在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。 在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。 晶体的常见参数如下图所示：
收稿日期：2011-08-20 非晶Si 3N 4 0前言 随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等），对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技日益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。由于陶瓷材料的出现可以克服传统材料的不足而越来越被研究人员关注，经过努力研究，在陶瓷的制备工艺和性能方面的研究已取得很大的进步，尤其是Si 3N 4陶瓷的优越性能得到了人们的广泛认可，就其结构、性能、烧结及应用已经开始系统的研究，本文就Si 3N 4陶瓷的制备工艺、增韧途径、高温性能的改善及应用作一简要的评述。 1Si 3N 4陶瓷概述 氮化硅（Si 3N 4）陶瓷是无机非金属强共价键化合物，其基本结构单元为[SiN 4]四面体，硅原子位于四面体的中心，四个氮原子分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个硅原子的形式在三维空间形成连续而又坚固的网络结构，氮化硅的许多性能都是因为其具有这种特殊的结构，因此 Si 3N 4结构中氮原子与硅原子间结合力很强，其作为一种高温 结构陶瓷，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称，氮化硅陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好，可耐氧化到1400℃、热腐蚀性能好，能耐大多数酸侵蚀，摩擦系数小，与用油润滑的金属表面相似等优异性能，已在许多工业领域获得广泛应用，并有很多潜在用途[1]。 氮化硅有晶体和非晶体之分，所说的非晶氮化硅就是无定形氮化硅[2]，而晶体氮化硅主要有早期的四方氮化硅（晶格常数为a=9.245魡，c=8.48魡）、常见的六方晶系氮化硅（有两种晶形，即针状结晶体α-Si 3N 4和颗粒状结晶体β-Si 3N 4）、立方氮化硅[3]。根据目前的认识，氮化硅结构有以下几种： 2Si 3N 4陶瓷的制备方法 氮化硅陶瓷的制备技术发展很快，由于Si 3N 4是强共价化合物，其扩散系数、致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，这决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化。目前氮化硅陶瓷烧结工艺方法主要有：常压烧结、反应烧结、热压烧结、气压烧结等[4-7]。 2.1常压烧结 常压烧结是以高纯、超细、高α相含量的氮化硅粉末与少 量助烧剂混合，通过成形、烧结等工序制备而成。由于常压烧结法很难制备高密度的纯氮化硅材料，为了获得高性能的氮化硅材料，需要加入助烧剂与Si 3N 4粉体表面的SiO 2反应,在高温下形成液相，活化烧结过程，通过溶解析出机制使其致密。因此，常压烧结Si 3N 4研究的关键在于选择合适的助烧剂。目前常用的助烧剂主要有：MgO 、Y 2O 3、稀土元素氧化物、复合助烧剂等，这些助烧剂能控制液相粘度，提高相转变，防止固溶体形成，降低晶格氧含量并控制玻璃相组成和含量[8]。 2.2反应烧结 反应烧结是把硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合物成形后， 在1200℃左右通氮气进行预氮化处理，之后机械加工成所需零件，最后在1400℃左右进行最终氮化烧结。其主要反应有： 3Si+2N 2圮Si 3N 4(1) 在反应炉中，随着炉温的不断升高，氮气的活性增强，当达到一定温度1100~1200℃时，氮气和硅粉发生（1）式反应，反应放出能量并传给周围硅原子，使之活化并继续反应，随着反应不断深入坯体内部，硅粉也不断氮化生成氮化硅。 其工艺流程如图1所示[7]： 2.3热压烧结 热压烧结是将Si 3N 4粉末和少量添加剂（如MgO 、Al 2O 3、 MgF 2、Fe 2O 3等）在19.6MPa 以上的压强和1600℃以上的温 度进行热压成型烧结。英国和美国的一些公司采用热压烧结 Si 3N 4陶瓷，其强度达到981MPa 以上。热压烧结时添加物和 氮化硅陶瓷的制备及性能研究进展 王会阳1，李承宇1，刘德志 2 （1.中国矿业大学材料科学与工程学院，徐州221116；2.江苏省陶瓷研究所有限公司，宜兴214221） 摘 要 氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震稳 定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行业。本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和提高其高温性能的方法以及增韧的途径，并展望了氮化硅陶瓷的发展前景。关键词 氮化硅；陶瓷；制备；增韧；研究进展 江苏陶瓷 Jiangsu Ceramics 第44卷第6期2011年12月 Vol.44,No.6December ，2011 图1氮化硅反应烧结流程 Si 3N 4 立方Si 3N 4 四方Si 3N 4六方Si 3N 4晶体Si 3N 4 α-Si 3N 4β-Si 3N 4 粉体处理 气体处理成型 生坯处理 烧结 陶瓷体处理 4
氮化硅新型功能陶瓷材料 1.1氮化硅陶瓷材料以及其应用背景 自工业革命以来,所有的高温结构材料为金属和合金所垄断。然而,高温合金的使用温度(目前达到1100℃)无法满足当前新技术的需要,于是,具有更高使用温度潜力的高温陶瓷 材料(可达1400℃)应运而生。当前热机陶瓷材料正在以空前的规模进行研究和开发,Si 3N 4 工程陶瓷是其中最有希望和前途的材料之一。氮化硅陶瓷材料常被研究作为一种新型的透波材料应用于高超声速飞行器上，其在强度，耐磨，耐腐蚀等性能上有卓越表现，广泛用于制造业，航空航天，化工，装甲等领域。采用适当的烧结助剂可有效提高氮化硅陶瓷材料的热导率，增加材料断裂韧性，促进材料性能完善。因其与传统的结构材料相比，在高温下仍具有优良的物理性能，故其优异性能成为众多学者研究的热点。 1.2氮化硅的结构以及特点 氮化硅的结构单元为SiN4四面体， A）氮化硅四面体b）氮化硅晶胞 类似金刚石的C—C4四面体，Si—N间共价健力强。其高温强度和热振性能好，可用作700摄氏度以上热震大场合的绝缘材料和开关电路基片。 1.3氮化硅常见晶体结构及其性质 氮化硅的晶体结构常见的有两种：α相与β相，均属于六方晶系。其中β-Si3N4结构较为稳定，Si3N4在1300℃时会发生α→β相变，常压高温直接分解为液态硅和氮气，分解温度为1877℃。下图中a）、b）分别为β-Si3N4与α-Si3N4晶体单胞结构，均由氮化硅四面体构成，二者唯一的区别便是沿c轴的堆垛顺序：α-Si3N4的堆垛顺序为ABCDAB…，β-Si3N4的堆垛顺序为ABABAB…，发生相变时，氮化硅四面体以 c 轴垂线为轴心旋转180°，从而使堆垛顺序发生改变，
氮化硅 1.氮化硅的特点： 是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。 2.氮化硅的应用： 氮化硅适合做高级耐火材料，氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。 氮化硅陶瓷材料可用于高温工程的部件，冶金工业等方面的高级耐火材料化工工业中抗腐蚀部件和密封部件，机械加工工业刀具和刃具等。 由于氮化硅与碳化硅、氧化铝、二氧化钍等能形成很强的结合，所以可用作结合材料，以不同配比进行改性。 此外，氮化硅还能应用到薄膜太阳能电池中。用PECVD法镀氮化硅膜后，不但能作为减反射膜可减小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入氮化硅薄膜以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。 3 氮化硅制品的生产工艺： 氮化硅制品按工艺可以分为反应烧结制品、热压制品、常压烧结制品、等静压烧结制品和反应重烧制品等。其中，反应烧结是一种常用的生产氮化硅耐火制品的方法。 反应烧结法生产氮化硅制品是将磨细的硅粉（粒度一般小于80μm），用机压或等静压成型，坯体干燥后，在氮气中加热至1350～1400℃，在烧成过程中同时氮化而制得。采用这种生产方法，原料条件和烧成工艺及气氛条件对制品的性能有很大的影响。 硅粉中含有许多杂质，如Fe，Ca，Aì，Ti等。Fe被认为是反应过程中的催化剂。它能促进硅的扩散，但同时，也将造成气孔等缺陷。Fe作为添加剂的主要作用：在反应过程中可作催化剂，促使制品表面生成SiO2氧化膜；形成铁硅熔系，氮溶解在液态FeSi2中，促进β-Si3N4的生成。但铁颗粒过大或含量过高，制品中也会出现气孔等缺陷，降低性能。一般铁的加入量为0～5%。Al，Ca，Ti等杂质，易与硅形成低共熔物。适当的添加量，可以促进烧结，提高制品的性能。 硅粉的粒度越细，比表面积越大，则可降低烧成温度。粒度较细的硅粉与粒度较粗
题目名称：氮化硅陶瓷的制备学院名称：材料科学与工程学院班级： 学号： 学生姓名：
指导教师： 2014 年 4 月 氮化硅陶瓷的制备 1．简介 应用背景 作为结构陶瓷，氮化硅陶瓷材料具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能以及良好的抗热震性能，广泛应用于航空航天、机械、电子电力、化工等领域。采用适当的烧结助剂可有效提高氮化硅陶瓷材料的热导率，增加材料断裂韧性，促进材料性能完善。 研究结果表明，以 CeO2为烧结助剂，氮化硅的相变转换率为 100%；当CeO2含量不超过 8mol%时，氮化硅晶界相的构成主要为 (SiO4)3O、Si2ON2以及 Ce2Si2O7，其结晶析出状况随烧结助剂含量增加呈规律性变化；晶粒尺寸随烧结助剂含量增加变化微弱，长柱状晶数目增多。烧结助剂CeO2通过对晶界相及微观结构的影响作用于氮化硅陶瓷材料相对密度、强度、硬度及断裂韧性，CeO2含量变化对氮化硅陶瓷材料力学性能影响显着。当 CeO2含量不超过7mol%时，氮化硅陶瓷材料的热扩散系数及热导率随CeO2含量增加而升高，CeO2含量由1mol%增加至 7mol%时，氮化硅陶瓷材料热扩散系数增加 50%，热导率增加%。且氮化硅热传导导机制为声子导热，其热导率的大小依赖于氮化硅晶粒的净化程度。 研究意义 作为信息、交通、航空航天等科技领域发展基础之一的电力电子技术，应其对电力的有效控制与转换的要求，电子器件一直向小尺寸、高密度、大电流、大功率的趋势发展。伴随大功率、超大规模集成电路的发展，其所面临的热障问题愈加突出，器件设计中的热耗散问题亟待解决（在温度高于 100℃时，电路失效率会随着温度的升高成倍增长）。
2014年第05期 吉林省教育学院学报 No.05，2014 第30卷JOUＲNAL OF EDUCATIONAL INSTITUTE OF JILIN PＲOVINCE Vol .30（总365期） Total No .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 3 51DOI:10.16083/https://www.doczj.com/doc/b3970507.html,ki.jeijp.2014.05.001