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特种陶(tao)瓷(ci)多种多样，大(da)家都有各自的(de)优势在不(bu)同领域闯出一片天。其中“氮(dan)化(hua)硅陶(tao)瓷”因有(you)高(gao)(gao)抗弯强度、高(gao)(gao)断(duan)裂韧性(xing)、良(liang)好的(de)(de)蠕变性(xing)、高(gao)(gao)硬度和高(gao)(gao)耐(nai)磨性(xing)等优(you)异特(te)性(xing)，各方(fang)面(mian)较为平衡，被誉为是结构陶瓷家族(zu)中综合(he)性(xing)能最为优(you)良(liang)的(de)(de)一类，其商业应用相(xiang)比其他特(te)种(zhong)陶瓷似乎更为广泛一些。

各类氮化硅陶(tao)瓷制品

不(bu)(bu)过氮(dan)化硅整体优势突出(chu)，不(bu)(bu)代表其内部质量就能完全(quan)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)化硅的不同烧结(jie)工艺对(dui)比

目前应用在各个领域(yu)的氮化硅(gui)陶瓷材料(liao)基本是(shi)通过以下烧结(jie)(jie)方(fang)法(fa)制备的：反应烧结(jie)(jie)、无压(ya)(ya)烧结(jie)(jie)、气(qi)压(ya)(ya)烧结(jie)(jie)、热(re)等(deng)静压(ya)(ya)烧结(jie)(jie)以及热(re)压(ya)(ya)烧结(jie)(jie)，另外像放电(dian)等(deng)离子烧结(jie)(jie)、重烧结(jie)(jie)等(deng)新型烧结(jie)(jie)方(fang)式也(ye)因(yin)其具有的不(bu)同(tong)优势(shi)受到学者(zhe)的关注。

不(bu)(bu)同(tong)工(gong)艺(yi)制备(bei)出氮化硅(gui)性(xing)能(neng)有一定的差(cha)异，一般会应用于不(bu)(bu)同(tong)的高温(wen)结构部件(jian)(jian)、耐磨部件(jian)(jian)或耐腐(fu)蚀部件(jian)(jian)之中。因此，运用不(bu)(bu)同(tong)的烧结工(gong)艺(yi)，结合(he)不(bu)(bu)同(tong)的工(gong)艺(yi)参数(shu)和控(kong)制好材料的微观结构是(shi)实(shi)现不(bu)(bu)同(tong)用途、性(xing)能(neng)优良氮化硅(gui)制品(pin)的关键。

1.反应烧结法

反应(ying)烧(shao)结指将原料成型体在一定(ding)温(wen)度下(xia)通(tong)过(guo)固(gu)相(xiang)(xiang)，液相(xiang)(xiang)和气相(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)互间(jian)发生(sheng)化(hua)学反应(ying)，同时进行致(zhi)密化(hua)和规定(ding)组分的合成，得到预定(ding)的烧(shao)结体的过(guo)程(cheng)。其过(guo)程(cheng)为(wei)：将高纯度硅粉与粘结剂混(hun)合后(hou)成型，然后(hou)放入N₂气(qi)氛或浸入(ru)熔融(rong)的硅中(zhong)，使坯体中(zhong)的硅或氮气(qi)或熔融(rong)硅反应来制备氮化硅制品。

反(fan)应(ying)烧结是(shi)最(zui)早(zao)出现的氮化(hua)硅制备工艺，最(zui)初生(sheng)产的反(fan)应(ying)烧结氮化(hua)硅一般会含有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(dian)偶(ou)保护管(guan)、熔炼金属(shu)的坩埚和火箭的喷嘴等。

氮化硅热(re)电(dian)偶(ou)保护管及坩埚

2.热压(ya)烧结法

为(wei)了弥补反应(ying)烧(shao)结法的(de)缺陷，后来的(de)研究者们将氮化硅粉(fen)末(mo)加入各种(zhong)氧化物（如MgO、Al₂O₃、CeO₂等）作为烧(shao)结添加剂，在一定压强(qiang)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(re)压烧结法(fa)的(de)优点是制备的(de)Si₃N₄陶瓷力(li)学性(xing)能比其(qi)它工艺(yi)烧(shao)结的Si₃N₄优异，具有较(jiao)高(gao)的硬度(du)、强度(du)和韧性，常用来生产陶瓷刀具(ju)。陶瓷刀具(ju)材料是很有(you)前景(jing)的(de)高(gao)速(su)切削(xue)刀具(ju)材料，在(zai)生产中(zhong)有(you)广泛的(de)应用，由于氮化硅(gui)具(ju)有(you)非常高(gao)的(de)耐磨性(xing)和化学稳定性(xing)，因此可在(zai)高(gao)速(su)条(tiao)件下长时间(jian)切削(xue)加工。但此方法也(ye)有(you)缺点，制备(bei)成本高(gao)、所需要的(de)烧结(jie)设(she)备(bei)较复杂(za)，同时在(zai)烧结(jie)过程中(zhong)单轴加压使得样(yang)品性(xing)能存在(zai)各(ge)向异性(xing)。

氮化硅及塞隆陶瓷刀具

3.无压烧结法

1976年，Terwilliger和(he)Lange在(zai)(zai)西屋实验(yan)室的(de)偶然发现(xian)(xian)，氮(dan)化(hua)硅粉末(mo)无(wu)需施(shi)加(jia)机械压力就可以烧结，因此他们在(zai)(zai)高于正常(chang)(chang)温(wen)度(du)的(de)条件下对引入了(le)(le)烧结助剂的(de)氮(dan)化(hua)硅粉末(mo)进行热压实验(yan)，发现(xian)(xian)当不施(shi)加(jia)常(chang)(chang)规(gui)压力时，氮(dan)化(hua)硅粉末(mo)圆筒仍然发生(sheng)了(le)(le)明(ming)显的(de)收缩。这是(shi)高密度(du)氮(dan)化(hua)硅陶瓷(ci)发展的(de)重要一步(bu)，在(zai)(zai)这一基础上发展了(le)(le)无(wu)压烧结氮(dan)化(hua)硅。

目前，无压烧结法是最常(chang)用的一(yi)种烧结方法，它是在标准大气(qi)压力(li)下(xia)以α-Si₃N₄为原料，加入一定量(liang)的烧结助剂进行液相烧结，在烧结过(guo)程中(zhong)α-Si₃N₄转化成(cheng)β-Si₃N₄，氮化(hua)硅晶粒的结(jie)构由等轴状(zhuang)晶转化(hua)成为柱状(zhuang)晶，样(yang)(yang)品的性能(neng)得到提(ti)高。无压烧结(jie)的优点是制备过程相对简(jian)单，成本(ben)较低，可获得性能(neng)优良(liang)的氮化(hua)硅陶瓷，其缺(que)点是烧结(jie)后样(yang)(yang)品收缩率较大，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(ye)金(jin)工(gong)业中的(de)辊环、承载融(rong)熔金(jin)属的(de)器皿、溜槽等(deng)。

氮化硅密封环

4.气压烧结法

在后(hou)来的研究中，为了(le)大(da)幅(fu)度(du)提高(gao)了(le)材料(liao)的高(gao)温性能(neng)，科学家(jia)以Y₂O₃取代MgO做烧结助剂，但Y₂O₃作为助(zhu)剂促进(jin)液相烧结的效果(guo)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。

气压烧结法的常(chang)用条件是在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晶粒(li)生长，最终制(zhi)(zhi)备得到(dao)的样品(pin)是长柱状晶粒(li)陶瓷，致密(mi)度(du)大且强度(du)高。气压烧结制(zhi)(zhi)备的氮化硅(gui)强度(du)、韧性高且耐(nai)磨(mo)，同时各种复(fu)杂形状的制(zhi)(zhi)品(pin)都能被成型烧结，因此相较(jiao)其他(ta)工艺制备(bei)出的氮(dan)化(hua)硅用途更加(jia)广泛一点。

除了(le)已述的热(re)电偶保护管、熔炼金(jin)属坩(gan)埚(guo)、火箭喷(pen)嘴、陶瓷刀(dao)具、轴(zhou)承(cheng)球、密封(feng)环(huan)、冶金(jin)工(gong)业(ye)中的辊环(huan)和承(cheng)载融熔金(jin)属器皿等，气压烧结氮化硅陶(tao)瓷在陶瓷(ci)涡(wo)轮发动机(ji)部件中的应用比(bi)较(jiao)广(guang)泛，如发动(dong)机中的涡(wo)流室(shi)银块、挺柱、摇臂银块、电热塞(sai)、涡(wo)轮增压器转子(zi)及气门(men)等；另外它在燃气轮机(ji)中的高温高应力部件中(zhong)也应用(yong)很多，如(ru)定叶片、动叶片、蜗壳等。

(a)氮化硅(gui)涡轮增压转子；(b)烧结(jie)氮化硅(gui)组件

5.热(re)等(deng)静压烧结法

氮(dan)化硅材(cai)料晶(jing)间(jian)相被认为(wei)是影响高温(wen)下行(xing)为(wei)的(de)(de)主要因素。氮(dan)化硅在高温(wen)过程中失效是晶(jing)间(jian)相和三(san)相连接点中产生。因此，如何不引(yin)入(ru)或引(yin)入(ru)极少的(de)(de)烧(shao)结(jie)助(zhu)剂，制(zhi)备具有优良高温(wen)性能的(de)(de)氮(dan)化硅陶瓷材(cai)料成(cheng)为(wei)重大(da)研究方向，热等静压烧(shao)结(jie)技(ji)术(shu)给出了(le)解决这一难题最(zui)好方案。

热等静压(ya)(ya)烧(shao)结(jie)是指通过高(gao)温和(he)各向均衡的(de)高(gao)压(ya)(ya)气体的(de)共(gong)同(tong)作用(yong)(yong)，使陶瓷粉末、坯体或预烧(shao)体达(da)到烧(shao)结(jie)致(zhi)密(mi)化的(de)工艺(yi)方法(fa)。它结(jie)合了热压(ya)(ya)和(he)无(wu)压(ya)(ya)烧(shao)结(jie)两种方法(fa)的(de)优(you)点(dian)，制(zhi)备得到的(de)氮化硅陶瓷致(zhi)密(mi)度很高(gao)且形状复(fu)杂的(de)产(chan)品也能制(zhi)备，但由于设(she)备昂贵，生产(chan)工艺(yi)复(fu)杂和(he)技(ji)术要求极高(gao)，目前主要用(yong)(yong)于制(zhi)备高档氮化硅轴承球等(deng)产品，尚(shang)没有无压烧结和气压烧结等(deng)工艺应用广(guang)泛。

氮化硅轴(zhou)承球

不(bu)过由于(yu)热(re)等(deng)静(jing)压(ya)烧结氮化(hua)硅致密程度(du)很高(gao)，耐磨损(sun)和抗压(ya)性能极其优异，在一(yi)些对产品性能要求较高的领域，热等静压烧结氮化硅陶瓷仍然具有大量的应用前景，例(li)如一种应用在红外探测器上的微型轴承就是运用(yong)该烧结方(fang)法制备的。

资料来源：

氮化硅陶瓷的研究与应用进展，张(zhang)创，宋(song)仪杰。

氮(dan)化硅陶(tao)瓷的制(zhi)备及其耐(nai)腐蚀性能研究，吴伟骏。

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