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特种陶瓷(ci)多种多样，大(da)家都有各自的优(you)势在(zai)不同(tong)领域闯(chuang)出一(yi)片天。其中(zhong)“氮化(hua)硅(gui)陶瓷”因(yin)有高抗弯强度、高断裂韧性、良好的(de)(de)蠕变性、高硬度和高耐磨(mo)性等优异特(te)性，各方面较为(wei)(wei)平衡，被誉为(wei)(wei)是结(jie)构陶(tao)瓷家(jia)族中(zhong)综合性能最为(wei)(wei)优良的(de)(de)一(yi)类，其商业应用相比其他特(te)种陶(tao)瓷似乎(hu)更为(wei)(wei)广泛一(yi)些。

各类氮(dan)化硅陶瓷(ci)制品

不(bu)过氮化硅整体(ti)优势突(tu)出(chu)，不(bu)代表其内部质量就能完全统一(yi)——比如说不同工艺，尤其是不同的烧结工艺，生产出来的氮化硅陶瓷在成本及性能上就有一定的差异，这就导致它们在应用时针对的下游领域也有所不同。至于不同在哪里，具体请看下文。

氮(dan)化(hua)硅的(de)不同烧结工艺对比

目前(qian)应(ying)用在各(ge)个领域的(de)氮(dan)化(hua)硅陶(tao)瓷(ci)材料基本是(shi)通过以下(xia)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)方(fang)法制备的(de)：反应(ying)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)、无压(ya)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)、气压(ya)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)、热等(deng)静压(ya)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)以及(ji)热压(ya)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)，另外像放电(dian)等(deng)离子(zi)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)、重(zhong)烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)等(deng)新型烧(shao)(shao)(shao)(shao)结(jie)(jie)(jie)方(fang)式(shi)也因其(qi)具有(you)的(de)不同优(you)势受到学者的(de)关注。

不(bu)(bu)同(tong)工艺制(zhi)(zhi)备出氮化硅(gui)性(xing)能有(you)一定的(de)差异，一般会(hui)应用(yong)于不(bu)(bu)同(tong)的(de)高温结构部件、耐(nai)磨(mo)部件或耐(nai)腐蚀(shi)部件之中。因此，运用(yong)不(bu)(bu)同(tong)的(de)烧结工艺，结合不(bu)(bu)同(tong)的(de)工艺参数和控制(zhi)(zhi)好材料的(de)微(wei)观结构是实现不(bu)(bu)同(tong)用(yong)途、性(xing)能优良(liang)氮化硅(gui)制(zhi)(zhi)品的(de)关键。

1.反应烧结法

反应烧结指将原(yuan)料成型体(ti)在一定(ding)温度下(xia)通(tong)过固相(xiang)，液相(xiang)和气相(xiang)相(xiang)互(hu)间(jian)发生(sheng)化学反应，同时进行(xing)致密(mi)化和规定(ding)组分的合成，得(de)到预定(ding)的烧结体(ti)的过程。其过程为：将高(gao)纯度硅粉与(yu)粘结剂(ji)混合后成型，然(ran)后放入N₂气(qi)(qi)氛(fen)或(huo)浸入熔融(rong)的(de)硅(gui)(gui)中(zhong)(zhong)，使坯体(ti)中(zhong)(zhong)的(de)硅(gui)(gui)或(huo)氮(dan)气(qi)(qi)或(huo)熔融(rong)硅(gui)(gui)反应来制备氮(dan)化硅(gui)(gui)制品。

反应(ying)烧结是(shi)最早(zao)出(chu)现(xian)的氮(dan)化硅(gui)制备(bei)工(gong)艺，最初生产(chan)的反应(ying)烧结氮(dan)化硅(gui)一般会含有25%左右的气孔隙，致密化程度不够高，因而很难体现氮化硅材料的高强度和硬度等性能。但即便如此，反应结合氮化硅依旧具备足够高的耐高温和抗侵蚀性能，因此常见于耐火材料领域，主要用来制备热电偶保(bao)护管(guan)、熔(rong)炼金属的坩(gan)埚和火(huo)箭的喷嘴等。

氮化硅热(re)电偶保护管及坩(gan)埚

2.热(re)压烧结法

为了弥补反应烧结法(fa)的缺陷，后来的研究(jiu)者们(men)将氮化硅粉(fen)末加入各(ge)种(zhong)氧化物(wu)（如MgO、Al₂O₃、CeO₂等）作为烧结添加剂，在一定压强以上和1600℃以上的温度下进行烧结，这种工艺后来被称为热压烧结。

热压烧结(jie)法的(de)优点是制备的(de)Si₃N₄陶瓷力学性能比其它工艺烧结(jie)的Si₃N₄优异，具有较高的硬度(du)、强度(du)和(he)韧性，常(chang)用来生产陶瓷刀具。陶瓷刀具材(cai)料(liao)是(shi)很有前景(jing)的高(gao)(gao)速切削刀具材(cai)料(liao)，在(zai)生(sheng)产中有广泛(fan)的应用，由于氮化(hua)硅(gui)具有非(fei)常(chang)高(gao)(gao)的耐磨(mo)性(xing)和化(hua)学(xue)稳定性(xing)，因此可在(zai)高(gao)(gao)速条件下长时(shi)间切削加(jia)工。但此方法(fa)也有缺点，制备(bei)成本(ben)高(gao)(gao)、所需(xu)要(yao)的烧结(jie)设备(bei)较复杂，同时(shi)在(zai)烧结(jie)过(guo)程中单轴(zhou)加(jia)压(ya)使得样品性(xing)能存在(zai)各向异性(xing)。

氮化硅及(ji)塞隆(long)陶瓷刀具

3.无压烧(shao)结法

1976年，Terwilliger和Lange在(zai)西(xi)屋(wu)实(shi)(shi)验(yan)室的偶然发(fa)现，氮化硅粉(fen)(fen)末(mo)无需施加(jia)机(ji)械压(ya)力(li)就可以烧结，因此他们(men)在(zai)高于(yu)正常(chang)温度的条件下(xia)对引入了烧结助剂的氮化硅粉(fen)(fen)末(mo)进行(xing)热压(ya)实(shi)(shi)验(yan)，发(fa)现当不施加(jia)常(chang)规压(ya)力(li)时，氮化硅粉(fen)(fen)末(mo)圆筒(tong)仍然发(fa)生(sheng)了明(ming)显的收(shou)缩。这是高密度氮化硅陶(tao)瓷(ci)发(fa)展的重要一(yi)步，在(zai)这一(yi)基础上(shang)发(fa)展了无压(ya)烧结氮化硅。

目前(qian)，无压(ya)烧(shao)结法是最常用的一种烧(shao)结方法，它是在(zai)标准大气压(ya)力(li)下以(yi)α-Si₃N₄为原料，加入(ru)一定量(liang)的烧(shao)(shao)结助剂进(jin)行液相烧(shao)(shao)结，在烧(shao)(shao)结过(guo)程中α-Si₃N₄转化成(cheng)β-Si₃N₄，氮化(hua)硅(gui)晶(jing)粒的结构由(you)等轴(zhou)状(zhuang)晶(jing)转化(hua)成为柱状(zhuang)晶(jing)，样品的性能(neng)得到提(ti)高(gao)。无压烧结的优(you)点(dian)是(shi)制备过程(cheng)相对简(jian)单，成本较低，可获得性能(neng)优(you)良的氮化(hua)硅(gui)陶瓷，其缺点(dian)是(shi)烧结后样品收缩率(lv)较大，能(neng)达到20%，可能会导致制品开裂变形。利用无压烧结氮化硅陶瓷耐磨、耐热和耐腐蚀等性能，可大量应用于制备密封环、冶金(jin)工业中的辊环、承载融熔金(jin)属的器皿、溜槽(cao)等。

氮化硅密封环

4.气(qi)压烧结法

在后来的研究中，为了(le)大幅度提高了(le)材料的高温性能，科(ke)学家以Y₂O₃取代MgO做烧结助剂，但Y₂O₃作为助剂促进液相烧结的效(xiao)果不如MgO，因此需要进一步提高烧结温度。不过温度的提高会使得氮化硅高温分解更显著，需要进一步提高工艺抑制氮化硅高温分解，促进烧结体致密化，于是便发展了气压烧结氮化硅。

气压烧结法的(de)常用条件(jian)是在(zai)1~10MPa压强下，烧结温度控制在2000℃左右，略高于其它烧结方法，在添加烧结助剂较少的情况下，也能促进Si₃N₄晶(jing)(jing)粒生(sheng)长，最终(zhong)制(zhi)备得到的(de)(de)样(yang)品是长柱状晶(jing)(jing)粒陶瓷，致密度大且强度高(gao)。气压烧(shao)结制(zhi)备的(de)(de)氮化(hua)硅强度、韧性高(gao)且耐磨，同(tong)时各种复杂形状的(de)(de)制(zhi)品都能(neng)被成型(xing)烧(shao)结，因此(ci)相(xiang)较其他工(gong)艺制备出(chu)的氮化硅用途更加(jia)广泛一点。

除了已述(shu)的热(re)电偶保护管、熔炼金(jin)属坩(gan)埚、火(huo)箭喷嘴、陶瓷(ci)刀(dao)具、轴承(cheng)球(qiu)、密封(feng)环、冶(ye)金(jin)工业中的辊环和承(cheng)载(zai)融熔金(jin)属器皿等，气压(ya)烧结氮化硅陶(tao)瓷在陶瓷涡轮发动机部件中的(de)应(ying)用比较广泛，如发动机(ji)中的涡流室银块、挺柱、摇臂银块、电热塞、涡轮(lun)增压器(qi)转子(zi)及气(qi)门等；另外(wai)它在燃气(qi)轮机(ji)中的(de)高温(wen)高应力部(bu)件中也应用很多，如定叶片(pian)、动叶片(pian)、蜗壳等。

(a)氮化硅涡轮(lun)增压(ya)转子；(b)烧结氮化硅组(zu)件

5.热等静压烧结法

氮(dan)化硅(gui)(gui)材料晶间相(xiang)被(bei)认为是(shi)影响高温(wen)下行(xing)为的主要因(yin)素。氮(dan)化硅(gui)(gui)在高温(wen)过程中失(shi)效(xiao)是(shi)晶间相(xiang)和三相(xiang)连接点中产生。因(yin)此，如何不引入或引入极少的烧(shao)(shao)结(jie)助剂，制备具(ju)有优(you)良高温(wen)性(xing)能的氮(dan)化硅(gui)(gui)陶(tao)瓷材料成为重(zhong)大研究(jiu)方(fang)向，热(re)等(deng)静压(ya)烧(shao)(shao)结(jie)技(ji)术给出了解(jie)决这一(yi)难题(ti)最(zui)好方(fang)案。

热等静压(ya)烧结(jie)是指通(tong)过高(gao)(gao)温和(he)各向(xiang)均衡的(de)高(gao)(gao)压(ya)气(qi)体(ti)(ti)的(de)共同(tong)作用，使陶瓷粉末、坯体(ti)(ti)或预烧体(ti)(ti)达到(dao)烧结(jie)致密化的(de)工艺方法(fa)(fa)。它结(jie)合了热压(ya)和(he)无压(ya)烧结(jie)两种(zhong)方法(fa)(fa)的(de)优点，制备得到(dao)的(de)氮化硅陶瓷致密度很高(gao)(gao)且形状复杂(za)的(de)产(chan)(chan)品也能制备，但(dan)由于设备昂贵(gui)，生产(chan)(chan)工艺复杂(za)和(he)技术要(yao)求极高(gao)(gao)，目前主要(yao)用于制备高(gao)档(dang)氮化硅轴承球等(deng)产品，尚没有无压烧结和气压烧结等(deng)工艺应用(yong)广泛(fan)。

氮化(hua)硅(gui)轴承球

不过由于(yu)热等静(jing)压烧结氮(dan)化硅致密程度很高，耐磨(mo)损(sun)和抗压性能(neng)极其(qi)优异，在一些对产品性能要求较高的领域(yu)，热等静压烧结(jie)氮化硅陶瓷(ci)仍然(ran)具有大(da)量的应用前景，例(li)如一种应用在红外探测(ce)器上的微型轴(zhou)承就是(shi)运用该烧结方法(fa)制备的。

资料来源：

氮化硅(gui)陶瓷的研究与应用进(jin)展，张创，宋仪杰。

氮化硅陶(tao)瓷的制备及其耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)能研(yan)究，吴(wu)伟骏。

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