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氮化硅存在高强度、耐磨性以及优良的耐腐化性等机能，普遍利用于航空航天、机械产业以及电子电力等范畴。鉴于该资料存在优良的介电机能，可能作为一种新型透波资料利用于飞翔器部件中；同时该资料存在优良的耐磨性跟耐腐化性，在陶瓷轴承范畴存在良好的利用前景。

1、氮化硅陶瓷晶体结构

氮化硅常见的重要有两种晶体结构：α 相与 β 相，均属于六方晶系。其中β-Si3N4结构较为牢固，Si3N4在 1300℃时会产生 α→β 相变，常压高温直接分解为液态硅跟氮气，分解温度为 1877 ℃，图1为β-Si3N4跟α-Si3N4的晶体结构单元。

图 1  a β-Si3N4的晶体结构 b. α-Si3N4的晶体结构

2、氮化硅粉体系备技巧

Si3N4粉末的制备方法有很多，目前人们研究得多的有硅粉直接氮化法、碳热还原二氧化硅法、激光气相反应法以及溶胶凝胶(sol-gel)法。

硅粉直接氮化法

硅粉直接氮化法是早被采取的传统地合成氮化硅粉体的方法，该方法具体操作是将纯度较高的硅粉磨细后，置于反应炉内通氮气或氨气，加热到1200℃～1400℃进行氮化反应就可得到氮化硅粉末。重要的反应式为：

3Si 2N2→Si3N4

3Si 4NH3→Si3N4 6H2

该法生产的Si3N4粉末通常为α、β两相混淆的粉末，因为氮化时产生粘结使粉体结块，故产物必须经破碎、研磨后才干成细粉。该方法生产本钱较低，可能进行大范围生产，然而其产品粒度较大。

碳热还原二氧化硅法；

把二氧化硅与碳粉混淆后，于氮气气氛中，经1400℃左右的温度下加热，此时二氧化硅先被碳还原成硅，而后硅与氮反应生成氮化硅，其总反应式为：

3SiO2 6C 2N2 →Si3N4＋6CO

此法所得粉末纯度高、颗粒细、α-Si3N4含量高、反应吸热，不须要分阶段氮化，氮化速度比硅粉直接氮化法快。反应中须要加入适量的碳以保障二氧化硅完全反应，残留的碳在氮化当前经600℃焚烧可消除，有可能产生Si

O、SiN，要对组分跟温度加以严格把持。此外，二氧化硅不易完全还原氮化还是一个较重大问题，将会影响资料的高温机能。

溶胶凝胶 (sol-gel)法

溶胶-凝胶法是60 年代发展起来的制备玻璃、陶瓷资料的一种工艺。碳热还原氮化法普遍采取二氧化硅粉末作硅源，颗粒粗，与碳黑难以混匀，影响了粉体的粒度跟纯度。溶胶-凝胶法通过使原料在溶胶状况充分均匀混淆，可制得高纯超细粉末。

优点：制备工艺简单，氮化温度低，Si3N4转化率高，纯度高且无杂相；

毛病：不宜大量量生产。

激光气相反应法(LICVD)

激光气相反应合成Si3N4粉末法是以CO2激光器作为激发祥使SiH4跟NH3气态下反应合成Si3N4粉末(粒径小于0.05μm)的方法，SiH4分解CO2激光10.59μm处的能量，反应气体被加热到反应温度。该工艺技巧上的特点是避免了沾染、存在敏捷均匀的加热速率、反应区域轻易判断、反应可能高度把持等。

激光法制备的Si3N4粉末，通常是高纯、超细的无定形微粉、粒子呈球形、粒度散布范畴窄，氧含量通常小于1%。在较强的激光强度跟较高的压力下可制备出存在幻想化学配比的晶体状Si3N4粉。

3、氮化硅陶瓷资料烧结工艺

致密氮化硅陶瓷资料常用的烧结方法有以下多少种：反应烧结、气压烧结、热等静压烧结以及热压烧结，近年来放电等离子烧结、无压烧结等烧结方法也因其存在的不同上风受到学者的关注。

气压烧结

气压烧结时较高的氮气压可使氮化硅的分解温度升高，因此气压烧结氮化硅时个别采取较高的烧结温度，而烧结温度的升高有利于氮化硅晶粒的成长跟，有利于进步烧结体的热导率。

反应烧结

反应烧结指将原料成型体在一定温度下通过固相，液相跟气相彼此间产生化学反应，同时进行致密化跟划定组分的合成，得到预约的烧结体的进程。在反应烧结进程中液相的存在是十分重要的。反应烧结制备氮化硅陶瓷工艺为：将高纯度硅粉与粘结剂混淆后成型，而后放入N2气氛或浸入熔融的硅中，使坯体中的硅或氮气或熔融硅反应来制备氮化硅制品。

无压烧结

无压烧结指在畸形压力下，将存在一定外形的陶瓷素坯经高温煅烧，物理化学反应制成致密、坚挺、体积牢固，存在一定机能的固结体的进程。为了降落氮化硅资料的本钱，应用廉价的低纯度β-Si3N4粉末，通过无压烧结制备了氮化硅陶瓷资料，发明β-Si3N4粉末存在很好的烧结机能，得到由柱状颗粒跟小球状颗粒形成的嵌套结构，结构组成比较均匀，不晶粒的异样成长。

放电等离子烧结

放电等离子烧结存在升温快、加热均匀以及烧结温度等特点，可实现致密烧结体的疾速烧结，而这对高热导率氮化硅烧结制备进程的影响较小，在烧结后仍旧须要长时光的高温热处理获得晶粒成长较好的氮化硅陶瓷资料。

重烧结

重烧结是指将反应烧结后的氮化硅坯体在烧结助剂存在的情况下，置于氮化硅粉末中，而后在高温下进行重烧结，从而得到致密的氮化硅制品。烧结助剂可能在硅粉球磨时引入，也可能用浸渍的方法在反应烧结之后引入。因为反应烧结进程可进行预加工，在重烧结进程中的紧缩仅有5%-10%，所以此方法可制备机能精良且外形庞杂的部件。

氮化硅存在强共价键结构，它的烧结十分艰苦，同时氮化硅资料即便在高温下，氮跟硅的体扩散系数也很小，与此同时在1600℃以上，氮化硅就会明显分解，因此，如何实现高强度且致密氮化硅陶瓷资料的低本钱制备技巧是当前氮化硅烧结工艺研究的重点。

4、氮化硅陶瓷资料物性参数

Si3N4陶瓷资料作为一种优良的高温工程资料，能施展上风的是其在高温范畴中的利用。它耐高温，强度始终可能坚持到1200℃的高温而不降落，受热后不会熔成融体，始终到1900℃才会分解，并有惊人的耐化学腐化机能，能耐多少乎所有的无机酸跟30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐化；同时又是一种高机能电绝缘资料。氮化硅与水多少乎不产生作用；在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐跟二氧化硅；易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐化氮化硅，熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐跟氨。其机能指标见表1。

表1 氮化硅重要机能

从表1可能看出，氮化硅资料的这些机能足以与高温合金相媲美。但作为高温结构资料，它也存在抗机械冲击强度低，轻易产生脆性断裂等毛病。为此，在利用氮化硅制造庞杂资料，尤其是氮化硅结合碳化硅以及用晶须跟增加其它化合物进行氮化硅陶瓷增韧的研究中应用普遍。

5、氮化硅陶瓷资料利用

利用Si3N4分量轻跟刚度大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承存在更高的精度，产生热量少，而且能在较高的温度跟腐化性介质中操作。用Si3N4陶瓷制造的蒸汽喷嘴存在耐磨、耐热等特点，用于650℃锅炉多少个月后无明显破坏。

近多少年来，随着测试剖析技巧跟制造工艺的发展，氮化硅陶瓷制品的坚固性得到一直进步，故利用面也在一直扩大。特别值得一提的是正在研制的氮化硅陶瓷发念头，而且已经获得了很大的进展，这在国度科学技巧上已经成为举世凝视标大事。与其利用相干的内容有：

(1)在冶金产业上：制成马弗炉炉膛、焚烧嘴、坩埚、铸模、铝液导管、热电偶测温维护用套管、发热体夹具、铝电解槽衬里等热工设备上的部件；

(2)在化学产业上：制成泵体、密封环、焚烧舟、球阀、热交换器部件、过滤器、固定化触媒载体、蒸发皿等；

(3)在机械产业上：制成轴承、高速车刀、金属部件热处理的支承件、转子发念头刮片、燃气轮机的导向叶片、涡轮叶片等；图2 为氮化硅轴承跟氮化硅球。

图2 氮化硅轴承跟氮化硅球

(4)在航空、半导体、原子能等产业上：用于制造薄膜电容器、蒙受高温或温度巨变的电绝缘体、开关电路基片、导弹尾喷管、原子反应堆中的隔离件跟支承件、核裂变物质的载体等.