手機掃碼訪問本站
微信咨詢
特種陶瓷是指具有特殊力學、物理或化學性能的一類陶瓷，所用的原料和所需的生產工藝技術都與普通陶瓷有較大的不同和發展。按照特性和用途，特種陶瓷可分為兩大類：結構陶瓷和功能陶瓷。其中，結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷，一般都具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。
結構陶瓷種類繁多，優缺點及擅長的應用方向各有異同，其中“氮化硅陶瓷”由于各方面性能較平衡，被譽為是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類，具有極其廣泛的應用。具體是如何優秀呢？下面便來一起看看。
氮化硅(Si3N4)可被劃分為共價鍵化合物，以[SiN4]4-四面體為結構單元，氮原子和硅原子的具體位置從下圖可以看出，硅處于四面體中心，四面體四個頂點的位置被氮原子占據，然后每三個四面體共用一個原子，在三維空間中不斷重復延伸，最終形成網絡結構。氮化硅的很多性能與這種四面體結構相關。
氮化硅存在有3種結晶結構，分別是α、β和γ三相，其中α和β兩相是氮化硅最常出現的形式。由于氮原子之間結合得非常牢固，因此氮化硅具有良好的高強度、高硬度及耐高溫等性能，硬度可達HRA91~93；熱硬性好，能承受1300~1400℃的高溫；與碳和金屬元素化學反應較小導致其摩擦系數較低；具有自潤滑性，因此耐磨損；抗腐蝕能力較強，除了氫氟酸以外，它不與其它無機酸發生反應，高溫時還具有抗氧化能力；它還具有良好的抗熱震性，在空氣中急劇冷卻再急劇加熱也不會碎裂；氮化硅陶瓷高溫蠕變小，在高溫和固定負載的作用下，所產生的緩慢塑性形變很小。
此外，氮化硅陶瓷還具有高比強、高比模、高熱導率、優良的電學性能等優點，因此在高溫、高速、強腐蝕介質等極限環境下具有特殊的應用價值，被認為是最具有發展應用前景的結構陶瓷材料之一，在許多需要經受考驗的應用場合中常常成為首選，以下就對這些應用方向做一個盤點。
關于氮化硅的應用，最早出現在上世紀50年代，是作為碳化硅和氧化物的粘結相應用于耐火材料，隨后用于制造坩堝、熱電偶管、火箭噴嘴等。上世紀60年代，隨著對高溫性能優良的新型材料需求的增加，氮化硅陶瓷的發展速度明顯升高。目前，氮化硅材料的開發正以陶瓷與電子工業為主，不斷向其它應用領域擴展。
陶瓷軸承從1972年研制成以來，得到迅速發展。已在精密機床，汽車，航空發動機，化工儀器，超導裝置等領域得到較廣泛應用。作為軸承材料考慮，最基本的特性是滾動疲勞壽命，為評價各種陶瓷軸承的適用性，用陶瓷平板進行滾動壽命試驗，其滾動壽命排序結果為：氧化鋁＜碳化硅＜氧化鋯＜氮化硅。由此可見，在上述四種常見工程結構陶瓷中，Si3N4最適合用作軸承材料。
氮化硅陶瓷材料應用在風電行業軸承中的情況主要分為兩類：氮化硅陶瓷軸承、氮化硅陶瓷滾動體與鋼制軸承底座制成的混合陶瓷軸承。氮化硅陶瓷軸承是指內外圈、滾動體采用氮化硅陶瓷材料，保持器采用不銹鋼、尼龍、氧化鋯、氮化硅或特定鋁合金制成的軸承，其性能比混合陶瓷軸承佳。
航空航天領域里，對材料性能的要求十分苛刻，挑戰著傳統材料的極限。Si3N4因具有高溫強度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強度、出色耐熱沖擊性和摩擦學性能，應用于航空航天是一個很好的選擇，能確保優異的機械可靠性和耐磨性。可用于控制衛星軌道的火箭燃燒室推進器，對材料要求很苛刻。由于高溫燃燒能夠獲得更大的推進力，所以不但要求其材料質輕，且能夠承受高溫。
氮化硅陶瓷尾噴管在航空航天的應用
如上圖所示，日本京瓷公司研制的氮化硅火箭燃燒室高溫陶瓷推進器（尾噴管）具有輕質且能夠承受高溫氣體燃燒的優勢（1300℃以上），可在其他材料無法適用的環境下應用，從而取代了鈮合金等。
汽車發動機用的Si3N4陶瓷部件包括：增壓器渦輪轉子，預熱燃燒室，搖臂鑲塊，噴射器連桿，氣門導管，陶瓷活塞頂，電熱塞等，尤其是難度最大的陶瓷轉子產品已進入某些陶瓷發動機，小型渦輪轉子已進入商業化規模生產。
電子行業中的散熱基板需要及時有效地將集成電路中各元器件的熱量排出，另外，基板需要具備足夠強的機械性能，以應對溫度、壓力等條件十分苛刻的場合。氮化硅陶瓷的熱導率雖然比氮化鋁、氧化鈹低，但明顯高于一般的結構陶瓷，基本能夠滿足基板的散熱需求；而且，氮化硅陶瓷的強度和斷裂韌性遠高于其它的基板類陶瓷，是綜合性能十分優越的散熱基板材料，已經在高鐵、電動汽車的電控系統中得到實際應用。
氮化硅陶瓷由于具有優良的耐高溫，耐腐蝕等性能，可用于化工耐腐蝕耐磨部件，半導體工業，包括國防工業用導彈天線罩，生物醫療用陶瓷材料，核電主泵用作密封環，多晶硅還原爐用氮化硅陶瓷環，隔熱盤罩，新開發的氮化硅陶瓷螺旋彈簧，不僅在1000℃溫度下可保持高強度，而且具有極強的耐腐蝕性，用于特殊閥門中。
左：氮化硅螺旋彈簧右：氮化硅軸承球、環，刀具
總之，作為綜合性能最為優良的結構陶瓷材料，氮化硅的諸多應用方向受到工業界和實驗室的關注，相信其憑借獨特性能在未來仍有廣闊的發展空間。
氣壓燒結氮化硅陶瓷組織及性能研究，王旭東。
氣壓燒結氮化硅陶瓷的研究與應用進展，楊亮亮，謝志鵬，李雙，宋明。
粉體圈整理