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先进陶瓷是(shi)制造业近(jin)年来(lai)最受关注的(de)领域之一(yi)，作为一(yi)类(lei)新兴材(cai)料其相(xiang)关产品凭借着(zhe)多项优异特性在社会中发挥着(zhe)重要的(de)作用。其中，“氮化硅（Si₃N₄）”因具有高(gao)(gao)(gao)抗弯强度、高(gao)(gao)(gao)断裂韧性、良(liang)好(hao)的(de)蠕变性、高(gao)(gao)(gao)硬度和高(gao)(gao)(gao)耐(nai)磨性等(deng)优异特(te)性，各方面较为平衡，更是(shi)被(bei)誉为是(shi)结构陶瓷家族中综合性能(neng)最为优良(liang)的(de)一类，常被(bei)用于制(zhi)造轴承、气轮机(ji)(ji)叶片、机(ji)(ji)械密封(feng)环、永久性模具等(deng)机(ji)(ji)械构件(jian)。

不(bu)过氮化硅(gui)看似样样好，却也存在(zai)一(yi)(yi)个(ge)“短板”，那就(jiu)是热导(dao)率(lv)不(bu)高，不(bu)易传(chuan)热。因(yin)此(ci)难以(yi)避免(mian)的(de)(de)会在(zai)一(yi)(yi)些对导(dao)热率(lv)有要(yao)求的(de)(de)应用(yong)领(ling)域遭受冷遇(yu)，比(bi)如说半导(dao)体(ti)器件生产(chan)所需的(de)(de)陶(tao)瓷基板，虽然(ran)很多(duo)人都希望氮化硅(gui)可(ke)以(yi)在(zai)该(gai)领(ling)域大展拳脚，但无奈机(ji)械性能(neng)(neng)再佳(jia)也难以(yi)弥(mi)补其(qi)热导(dao)率(lv)不(bu)足且成本(ben)高而(er)与(yu)竞(jing)争品落下的(de)(de)距离。当然(ran)话不(bu)能(neng)(neng)说这么死，随着制备工(gong)艺的(de)(de)提升，氮化硅(gui)陶(tao)瓷基板的(de)(de)热导(dao)率(lv)已经(jing)有了明显的(de)(de)上升，因(yin)此(ci)相关应用(yong)进程也在(zai)一(yi)(yi)直推进中。

不(bu)(bu)过热导率(lv)不(bu)(bu)佳(jia)不(bu)(bu)代表就(jiu)一定会阻碍氮化硅的(de)(de)应用推广。对于这种又耐高温(wen)，又不(bu)(bu)易传热的(de)(de)材(cai)料，恰恰一些“水深火热”的(de)(de)地方就(jiu)很需要，比如说(shuo)发动机(ji)，当使用氮化硅(gui)陶(tao)瓷来制造(zao)发动机部件(jian)的受热(re)面，不仅(jin)可(ke)以提(ti)高(gao)柴油机质量，节省(sheng)燃料，而且(qie)能够提(ti)高(gao)热(re)效率，目前中国(guo)及美国(guo)、日本等国(guo)家都已研制出了这种柴油机。

氮化硅在(zai)发动(dong)机中的应用

在早期，无论是(shi)汽油或者(zhe)柴(chai)油发(fa)动机，里(li)面的(de)部(bu)件其实都是(shi)以金(jin)属材(cai)料为主。不过为了提高热效(xiao)率，从上世纪90年代起业界(jie)便开(kai)始采用新型(xing)高温结构陶瓷材(cai)料代替金(jin)属部(bu)件。

当(dang)时的(de)研(yan)究发(fa)现，进(jin)行(xing)替代(dai)后，由于陶(tao)瓷(ci)的(de)耐火度(du)高(gao)，可使(shi)进(jin)入涡轮(lun)机的(de)气体温(wen)度(du)提高(gao)到(dao)1600-1800℃，不用采取冷却等措施；而超(chao)级合(he)金所能承(cheng)受的(de)临界(jie)温(wen)度(du)一般不超(chao)过(guo)1000-1050℃。最终燃(ran)汽涡轮(lun)发(fa)动机的(de)有效(xiao)系数提高(gao)6%-10%；燃(ran)耗降(jiang)低10%-30%，甚(shen)至不用价格昂贵的(de)金属或(huo)稀有金属（如(ru) Co、Ni、W 等），可以(yi)使(shi)用热值较(jiao)低的(de)燃(ran)料(liao)。

涡(wo)轮发动机构造

而氮化硅(gui)由于(yu)烧结(jie)(jie)时生成针状或者长柱(zhu)状β型结(jie)(jie)晶相的(de)缘(yuan)故，与其它结(jie)(jie)构(gou)陶(tao)(tao)瓷材料相比具有更(geng)好的(de)耐(nai)热性(xing)、断裂韧性(xing)、强(qiang)度，能抵抗(kang)冷热冲击，哪怕在(zai)空气中加热到(dao)1000℃以上(shang)，急(ji)剧(ju)冷却再(zai)急(ji)剧(ju)加热，也不会碎裂，因此(ci)作为高温结(jie)(jie)构(gou)材料在(zai)发动(dong)机领域受到(dao)重用(yong)。在(zai)1998年时日本(ben)推(tui)出了(le)输出功率为322kW陶(tao)(tao)瓷燃(ran)气轮(lun)机，所用(yong)的(de)大部(bu)分材料是氮化硅(gui)陶(tao)(tao)瓷，其热效率高达42.1%，较常规(gui)燃(ran)气轮(lun)机高出一倍有多。可见(jian)，氮化硅(gui)的(de)加入，确实为发动(dong)机带来了(le)全新的(de)发展机遇。

另外，氮化硅高温(wen)结构件(jian)的(de)重要应用场(chang)合还(hai)有(you)飞机(ji)的(de)涡轮(lun)发(fa)动机(ji)。以飞机(ji)的(de)涡轮(lun)喷(pen)气(qi)发(fa)动机(ji)为(wei)例，燃(ran)烧(shao)室燃(ran)烧(shao)区(qu)温(wen)度(du)高达1800-2000℃，引入气(qi)流冷却后，燃(ran)烧(shao)室壁温(wen)仍(reng)然在(zai)900℃以上(shang)，常用高温(wen)合金(jin)（镍基(ji)及钴基(ji)合金(jin)）板材制造，为(wei)防(fang)止燃(ran)气(qi)冲刷、热(re)腐蚀和隔热(re)，还(hai)需要喷(pen)涂防(fang)护层；而(er)氮化硅陶瓷耐(nai)热(re)，可(ke)在(zai)1400℃时仍(reng)然有(you)高的(de)强度(du)、刚度(du)。此外，氮化硅陶瓷比密度(du)小，密度(du)仅(jin)为(wei)钢(gang)轴(zhou)承的(de)41%，可(ke)有(you)效降低(di)飞机(ji)发(fa)动机(ji)重量，减(jian)低(di)油(you)耗。

提高氮化硅(gui)部件质(zhi)量的方式

目前已研(yan)发(fa)的(de)氮(dan)化(hua)硅(gui)材料(liao)为主的(de)发(fa)动(dong)机(ji)陶瓷零部件(jian)中，加热(re)(re)元件(jian)有起动(dong)电热(re)(re)塞和(he)(he)进气(qi)(qi)预燃器火(huo)花(hua)塞；耐热(re)(re)部件(jian)有涡流燃烧室(shi)镶块、燃油喷(pen)嘴(zui)针(zhen)阀和(he)(he)进、排气(qi)(qi)控制阀；耐磨(mo)部件(jian)有摇臂镶块、挺杆和(he)(he)陶瓷滚动(dong)轴承；轻量件(jian)有增压器涡轮转(zhuan)子；此(ci)外(wai)还(hai)包括了燃气(qi)(qi)轮机(ji)叶片、活(huo)塞冠(guan)和(he)(he)活(huo)塞销、气(qi)(qi)门和(he)(he)气(qi)(qi)门导(dao)管(guan)、涡流室(shi)等。但是(shi)，要承受载荷(he)并且满足高(gao)剪(jian)切应(ying)力下(xia)的(de)高(gao)温抗裂纹扩展(zhan)和(he)(he)抗蠕(ru)变的(de)使用要求(qiu)，需要进一步提(ti)高(gao)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶瓷的(de)高温力学性能和高温抗氧化(hua)性(xing)能。

自(zi)增韧(ren)氮(dan)化硅陶瓷是近年来发展的一项(xiang)重要的补强(qiang)增韧(ren)技(ji)术。自(zi)1979年Lange通过增大β-Si₃N₄晶粒的长(zhang)径(jing)比，率先使氮化硅(gui)陶瓷的断裂韧性达到6MPa·m以来。许多(duo)利用长(zhang)柱状晶种实现氮化硅(gui)陶瓷自(zi)增韧的研究结果被(bei)不断报(bao)导。通常(chang)β-Si₃N₄自增韧陶(tao)瓷的制备方法多是以α-Si₃N₄粉和约 10%（质量分数，下(xia)同）的 MgO，Y₂O₃-SiO₂或Y₂O₃-Al₂O₃等几种添加(jia)剂通(tong)过热(re)处理(li)合成。

β-Si₃N₄晶种(zhong)形貌

此外，也可以使用高温涂层来(lai)进一步加强(qiang)氮化硅陶瓷的高温性能。如(ru)莫(mo)来(lai)石(Mullite)是 Al₂O₃-SiO₂在常压下唯一稳定存在的二元系化(hua)合物，化(hua)学通(tong)式为(wei)3Al₂O₃-2SiO₂。莫来(lai)(lai)石(shi)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)的(de)主要(yao)应(ying)用(yong)(yong)之一是作(zuo)为环境阻(zu)障涂层材料(liao)（EBC）尤其是用(yong)(yong)于硅基陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)部(bu)件的(de)保护层，应(ying)用(yong)(yong)于发(fa)动机的(de)高温(wen)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)部(bu)件。与(yu)氧化铝、氧化锆以及(ji)氧化钇稳(wen)定氧化锆等热(re)障涂层材料(liao)相(xiang)比较，莫来(lai)(lai)石(shi)的(de)热(re)膨胀系数与(yu)氮化硅陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)最为接近(jin)，高温(wen)物相(xiang)稳(wen)定性好，可(ke)以有效地缓解改善(shan)高温(wen)工(gong)作(zuo)环境中硅基陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)部(bu)件的(de)高温(wen)腐蚀和热(re)腐蚀，在发(fa)动机的(de)高温(wen)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)部(bu)件应(ying)用(yong)(yong)中很具潜力。

资料来源：

发动机高(gao)温(wen)部件(jian)的陶(tao)瓷材料应(ying)用及性(xing)能(neng)测试，翟华(hua)嶂，李建保，吴疆，才鸿年。

发动机用新材料——氮化(hua)硅陶瓷，孙钦英(ying)(ying) 朱秀英(ying)(ying)。

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