氮化硅陶瓷

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特别是作为耐热砖应用时，因其
在特殊气氛中的耐热性能优异，所以 常用作2000℃左右的非氧化性电炉的
AlN陶瓷基板-LED用高热导氮 化铝材料
衬材材料。
氮化硼（BN）陶瓷
氮化硼陶瓷是一种以氮化硼为主的陶瓷。具有优良的电绝缘性、 耐热性、耐腐蚀性。高导热性，能吸收中子，高温润滑性和机械加
工性好，是发展较快，应用较广的一种氮化物陶瓷。
氮 化 硼 坩 埚
氮 化 硼 绝 wk.baidu.com 管
氮化钛（TiN）陶瓷
氮化钛陶瓷是一种新型的结构材料，它不但硬度高，熔点高，化 学稳定性好，而且具有金属光泽。因此，氮化钛也是一种很好的耐熔 耐磨材料，也是一种受人欢迎的代金装饰材料。 在切削加工工具行业，已广泛采用CVD、PVD法处理刀具以延长 使用寿命。
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• 化学稳定性：硅氮共价键结合，键能很高，生成焓很高， 形成稳定的化合物（抗氧化性，抗腐蚀性）
1200℃以上会随使用时间的增长而出现破损，使其强度降低， 在1450℃以上更易出现疲劳损坏，所以Si3N4 的使用温度一般不超过 1300℃
对于一般的酸碱，不会腐蚀氮化硅。 • 氢氟酸对氮化硅腐蚀明显
氮化硅陶瓷结构与性质
氮化硅陶瓷结构
氮化硅是一种共价键化合物，类似金刚石的C—C四面体，Si—N间共 价健力强。氮化硅是由[SiN4]四面体共用顶角构成的三维空间网络。
氮化硅的晶体结构常见的有两种：
α 相：属于六方晶系，由氮化硅四面体构成。 β 相：属于六方晶系，由氮化硅四面体构成，β-Si3N4结构较为稳定。 发生相变时，氮化硅四面体以 c 轴垂线为轴心旋转 180°，从而使堆 垛顺序发生改变。
1300℃ -Si3 N4 -Si3 N4
Si3 N4 液态硅、氮气
常压 高温1877℃
氮化硅陶瓷性质
• 热学性质：属高温难溶化合物，无熔点，常压下1900℃左右分解，抗 高温蠕变能力强; • 热膨胀系数小； • 导热性好，耐热冲击性良好 • 良好的抗热震性
10 10 cm ）介电损耗小，击穿电压高 • 电绝缘性（电阻率： （受合成方式、游离Si、烧结助剂引入杂质的影响）
由于氮化硅陶瓷脆性大，而金属材料具有优良的室温强度和延展性， 所以将氮化硅陶瓷和金属材料结合，可以制造出满足要求的复杂构件。
其他氮化物结构陶瓷
氮化铝（AlN）陶瓷 熔点：2450℃
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AlN陶瓷具有高导热性、高强度、高 耐热性；机械性能好，耐腐蚀，透光性强
等； • 可以作为散热片；熔融金属用 坩埚、保护管、耐热转等；
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在Si3N4中引入10%～20% TiN组成复合材料时，材料的断裂韧性、抗 弯强度、硬度都得到很好的改善；在合成Si3N4时引入MoSi2，结合热压烧 结工艺，可以使复合材料的性能得到提高，检测表明其室温抗弯强度高达 184MPa，韧性提高。
晶须或纤维增韧
• 有关研究表明，BN纤维的加入可提高材料的抗热震性能和韧性；近年
研究发现：β-Si3N4柱状晶必须具备足够大的尺寸才能显著改善材料的断裂韧性，
但在基体中引入柱状晶或基体晶粒粗化都会降低材料的抗弯强度，为了平衡材料的 断裂韧性与抗弯强度，需要对 β-Si3N4晶粒的生长进行调控，从而得到细小基体晶粒 中均匀分布一定数量粗大柱状晶的理想显微结构。
颗粒弥散增韧
• 研究表明：SiC可使材料的晶粒细化，提高强度(SiC的粒径应在 25μm以下)，SiC(粒径范围为30～50μm)通过残余应力场和微裂纹增韧， 可使材料的韧性提高；
• 熔融NaOH等熔融碱和熔融盐对氮化硅腐蚀明显 • 晶界性质对抗腐蚀性影响很大 • 对外界辐射也是稳定的
氮化硅陶瓷制备方法
氮化硅粉末的合成方法
烧结助剂: Y2O3、MgO、Al2O3
烧结方法： 常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应 烧结、热静雅烧结
氮化硅陶瓷用途
氮 化 硅 轴 承 球
来，晶须补强陶瓷基复合材料也一直是人们研究的热点，并取得了不少积
极的研究成果，其中SiC晶须是复合材料中主要应用的晶须，研究发现
Si3N4经SiC晶须强化可大大提高强度和韧性
层状结构复合增韧
近年来，国内外学者从生物界得到启示：贝壳具有的层状结构可以产 生较大的韧性。目前，国内外已有人开始了层状复合材料的探索性研究。 Sajgalik等研究了不同显微结构或不同组成材料构成的多层Si3N4基复合材 料，发现多层材料的强度及韧性都较单相材料高，并表现出准塑性现象； 郭海制备了高韧性的层状Si3N4基复合材料，主层内加入一定量的SiC晶须， 产生两级增韧效果，层状氮化硅陶瓷的断裂韧性显著提高。

氮化硅陶瓷固有的脆性制约了很多方面的应用， 所以研究者们提出了诸如第二相粒子弥散增韧、 晶须或纤维增韧等方法来提高陶瓷的韧性。
自增韧
自增韧是指通过合理选择成分及工艺，使氮化硅陶瓷在烧结中培育出柱状的βSi3N4晶粒，它有晶须的外形，因而可以具备晶须的种种增韧机制，免去了使用晶 须在工艺上造成的困难，已日益受到人们的重视，正成为提高Si3N4陶瓷断裂韧性 的新途径。
③陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。
④陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。
氮化硅陶瓷的研究现状
氮化硅（Si3N4）陶瓷材料因其强度高，耐磨，耐腐蚀等性能， 广泛用于制造业，航空航天，化工，装甲等领域。采用适当的烧 结助剂可有效提高氮化硅陶瓷材料的热导率，增加材料断裂韧性， 促进材料性能完善。因其与传统的结构材料相比，在高温下仍具 有优良的物理性能，故其优异性能成为众多学者研究的热点。
TiN还具有良好的导电性，常用作熔盐电解的电极材料。还具有较
高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。
特点：氮化硅陶瓷在磨损时表现出与轴承钢相似的特性，即发生剥
落形成麻点，而不是完全破碎，摩擦阻力增加噪音增大，但轴承仍 可运转。在贫润滑油甚至干运转时，遇到材质突然破坏时，也能运
转，表现良好的应急状态。
电 路 基 板
人 工 关 节
氮化硅陶瓷发动机的优点
①可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，对内燃机而言，目前作 为其制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以 将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。 ②工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降 低了能源消耗，而且减少了环境污染。