12033-89-5/了不得！氮化硅與碳化硅強強聯合竟這么厲害！

近年來，復相陶瓷成為了先進陶瓷研究領域的重要方向。作為各方面性能都較為優異且相近的陶瓷材料，氮化硅結合碳化硅陶瓷材料成為了研究重點。

在Si3N4陶瓷中加入SiC進行顆粒彌散強化，不僅能獲得比單項陶瓷更優良的力學性能，而且進一步能提高Si3N4陶瓷的高溫性能。近年來科研工作者對氮化硅/碳化硅復相陶瓷進行了大量的研究，研究結果表明復相陶瓷有希望成為性能更加優良的材料體系。SiC粒子或晶須對Si3N4基體材料具有種種強化和增韌作用，所制備的復合材料性能比單相Si3N4或單相SiC的性能更突出，其斷裂韌性遠遠高于單相SiC，耐高溫性、抗蠕變性及高溫抗氧化特性等遠遠高于單相Si3N4。

有哪些突出性能

1、氮化硅結合碳化硅陶瓷質地堅硬，莫氏硬度約為9，在非金屬材料中屬于超高硬度材料。

2、氮化硅結合碳化硅陶瓷的不但常溫強度高，在1200～1400℃高溫下幾乎保持與常溫相同的強度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達到1650～1750℃。

3、氮化硅結合碳化硅材料熱膨脹系數小，相對于碳化硅等制品熱導率高，不易產生熱應力，具有良好熱震穩定性，使用壽命長。高溫抗蠕變能力強，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制成尺寸精度高符合要求的制品。

4、氮化硅結合碳化硅材料與有色金屬不發生浸潤，并且具有良好的絕緣性能，因此在鋁、銅和鋅等有色金屬的生產過程中獲得廣泛的應用，尤其是制作電解槽側墻內襯磚的理想材料。

粉體制備方法

獲得均勻分散的復合粉體是制備高性能復相陶瓷的關鍵。近年來，相關的制備技術得到了廣泛的研究，并發展出一系列卓有成效的制備方法。其中氮化硅結合碳化硅復合粉體主要的制備方法包括機械混合法、氣相熱解法、聚合物先驅體法、碳熱還原法和溶膠凝膠法等。

1 機械混合法

機械混合法又稱為高能球磨法，是最常用的復合粉體制備方法，工藝簡便而且成本較低，設備要求也不高，對人員也無特殊要求。機械混合工藝是將Si3N4原料粉與SiC亞微米或者納米粉以及燒結助劑混合，在乙醇或其它溶劑介質中球磨一定時間，并將漿料干燥以獲得均勻的混合粉料。

2 氣相熱解法

氣相熱解工藝與制備純Si3N4粉末類似，主要是利用含Si、C、N的有機氣體在高溫下的氣相熱反應或氣相熱解反應，來形成均勻分散的Si3N4和SiC納米粒子。

3 聚合物先驅體法

利用聚合物的可溶及融溶性可實現聚合物在Si3N4顆粒中分子水平上的分散。因此常用含Si-C的聚合物先驅體（如聚碳硅烷）涂于表面熱解后形成均勻分散的SiC納米粉，而用含Si-C-N聚合物先驅體（如聚硅氮烷）同時產生Si3N4和SiC納米粉。使用聚碳硅烷作為先驅體的制備工藝是：將α-Si3N4粉末、燒結助劑和聚合物先驅體混合球磨、干燥、冷壓，在1000℃左右熱解，最后進行燒結。

4 碳熱還原法

碳熱還原法是早期的材料制備方法，有著悠久的歷史，該方法來源于著名的Acheson法，其利用的主要方法為：

3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO

SiO2+3C=SiC+2CO

該法還可以實現Si3N4與SiC的原位結合，成為廉價制取氮化硅結合碳化硅材料的重要方法，而且制品中α-Si3N4相含量高，但碳熱還原法是一個復雜的反應體系，而且由于反應物過多，極易引入雜質，導致影響反應的因素眾多，因而產品質量不易精確控制。

5 溶膠凝膠法

溶膠凝膠是結構陶瓷復合粉體制備的有效途徑。有報道制備過帶有燒結助劑的氮化硅碳化硅復合粉體，首先將硅溶膠或者硅溶膠和硝酸釔的混合液與尿素溶液混合，水浴加熱至80℃，通入氨氣并不斷攪拌，直至凝固。然后，把由氨解形成的前驅體與炭黑按一定比例配料，以無水乙醇為介質，球磨混合數小時，經干燥獲得凝膠樣品，放入石墨坩堝內，在高溫爐氮氣氛下進行碳熱還原反應，所得粉末經空氣中脫碳后得到復合粉體。

復合陶瓷制備方法

1 反應燒結法

反應燒結法是常用的燒結方法，反應原料為一定顆粒級配的SiC和Si粉，或者為一定顆粒級配的SiC、Si3N4和Si粉。燒結前先將粉末均勻混合后壓制成所需要的形狀，然后在氮氣氣氛中燒結得到相應的復相陶瓷。

2 熱壓燒結法

熱壓燒結是釆用機械加壓的方式對燒結構件進行致密化的，熱壓燒結是在反應燒結法的基礎上經過改進形成的，熱壓燒結可以克服反應燒結法成品氣孔率較高、致密化不足導致的強度低的缺點，制備出接近理論密度的高強度陶瓷。熱壓法的過程與反應燒結法基本一致，區別在于熱壓法需要燒結助劑，而且在加入反應物料之前必須要進行充分的混合，否則制品難以達到致密燒結。

3 氣壓燒結法

氣壓燒結是現在流行的燒結方式，它工藝簡便，成本較低，采用一定燒結助劑也能得到相對致密的燒結體。氣壓燒結可選擇多種工藝條件，因而可以有效的控制材料結構和性能。

4 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法是反應燒結的延伸，又稱燃燒合成法，它是利用燃燒反應釋放的熱量使含有Si、C、N物質的壓坯發生劇烈化學反應，并且燃燒面以一定的速度向前推進，自動持續蔓延生成陶瓷化合物的方法。自蔓延合成與原位合成法配合運用可低成本的制備出高性能陶瓷。但是自蔓延合成也有明顯的缺點，由于燃燒合成速度快，所以合成過程中溫度變化較快，導致無法對反應的過程實施精確控制，因此最終陶瓷的孔隙率高、密度低，造成陶瓷的強度偏低，不能得到應有的應用。

應用

氮化硅結合碳化硅材料具有較高的高溫強度，導熱性，抗氧化性也很好，并且不易被腐蝕，諸多優良性能決定了它適合于作為耐火材料使用。在陶瓷行業，其可用作耐高溫窯具，可有效提高窯爐窯具的壽命，提供穩定的燒成環境，保證產品的質量。

氮化硅結合碳化硅材料與有色金屬不發生浸潤，并且具有良好的絕緣性能，因此在鋁、銅和鋅等有色金屬的生產過程中獲得廣泛的應用，尤其是制作電解槽側墻內襯磚的理想材料。

目前在環境保護行業中，作為脫硫脫硝工程中的噴嘴絕大多數都是由氮化硅結合碳化硅材料制作的，使用該材料成形制作的噴嘴具有尺寸精確、耐腐蝕、耐沖刷性能好、霧化性能優良，而且使用壽命較長等優越性能。目前國內外脫硫脫硝噴嘴的用量在逐年遞增。

在航天航空方面，可以利用其抗熱震性、抗氧化、耐高溫腐蝕等特性制造雷達天線罩等其他高溫結構件。

在軍事工業中，其可以用來制造導彈尾噴管和喉襯。另外在核工業中反應堆的支撐件和隔離間、醫學工業和日常生活中，氮化硅結合碳化硅材料也都有應用。

參考來源：

[1]侯撐選.氮化硅結合碳化硅材料的特性及應用范圍

[2]李康.氮化硅/碳化硅陶瓷復合材料研究

[3]中國粉體