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1200ħ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1400ħ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
ħ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1800－2100ħ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2000ħ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/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。
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