氮化硅陶瓷解读
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烧结。 已烧结的陶瓷可以用金刚石砂轮切片，也可以
精密研磨，表面粗糙度可达0.025微米（镜 状光泽面）；0.006微米（镜面）
氮化硅陶瓷的制造方法
? 原料粉的生成方法 1）硅粉直接氮化
3Si ? 2N2 ? 1?200?℃~1?45?0℃? Si3N4 3Si ? 4NH3 ? 1?200?℃~1?45?0℃? Si3 N4 ? 6H 2
? 化学稳定性：硅氮共价键结合，键能很高， 生成焓很高－稳定的化合物 （1）抗氧化性 800℃以下干燥气氛中不与氧反应
氮化硅物理化学性质
800℃以上开始反应
Si3N4 ? 3O2 ? 3SiO2 ? 2N2
反应在试样表面生成氧化硅膜，随温度升 高氧化硅膜逐渐变得稳定，
到1000℃左右形成致密氧化硅保护层，从 而防止氮化硅继续氧化。直到1400℃都基 本稳定。
3SiCl4 ? 16NH3 ? 1?40?0℃? Si3N4 ? 12NH4Cl 3SiH4 ? 4NH3 ? 1?40?0℃? Si3N4 ? 12H2 ? 可制得高纯超细氮化硅粉
氮化硅结构
? 1400~1600℃加热? -Si3N4会转变成? Si3N4。但不能说? 相是低温晶型， ? 是高 温晶型。
? 低温合成时两相可同时存在
? 两种结构除有对称性高低差别外，并没 有高低温之分！只不过? 相对称性低，容 易形成， ?相在热力学上更稳定！
氮化硅物理化学性质
? 热学性质：属高温难熔化合物 无熔点，常压下1900℃左右分解， 抗高温蠕变能力强，不含粘结剂的反应
氮化硅陶瓷
绪言
? 地球上氮和硅的含量非常高 ? 空气中氮气含量约78.6％ ? 地壳中硅是继氧后含量第二的元素
（26.09％） ? 自然界中没有氮硅化合物 ? 氮化硅为人工合成的新材料（1857年）
3Si ? 4NH 3 ? Si3N4 ? 6H 2
19世纪80年代，人们已经制备出氮化硅块体材料
绪言
氮化硅物理化学性质
潮湿空气中，氮化硅受热 200℃以上，即可 发生表面氧化作用
Si3N4 ? 6H 2O ? 3SiO2 ? 4NH 3
此反应生成的氧化硅是无定形的，不能形成致密保 护膜，这个反应会不断缓慢进行。
另外氧化作用与氮化硅陶瓷的气孔和由添加剂形成 的晶界相有很大关系，碱金属杂质会加快氧化反应。
? 二战之后，科学技术发展迅速，原子能、 火箭、燃气轮机等高技术领域对材料提 出了更高的要求，
? 迫使人们去寻求比耐热合金更能承受高 温、比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的新 材料。
? 氮化硅陶瓷性能优异，激发了人们对它 的热情和兴趣。
绪言
? 高的室温强度和高温强度 ? 高硬度 ? 耐磨蚀性好 ? 抗氧化性高 ? 良好的耐热冲击和机械冲击性能 ? 在高温结构陶瓷领域，氮化硅陶瓷是综合
化硼和金刚石。
氮化硅的力学性能
? 摩擦系数与自润滑性 摩擦系数小，在高温高速条件下，升高幅 度也较小，因此能保证机构的正常运转。 氮化硅陶瓷具有自润滑性
－－在压力作用下、摩擦表面微量分解形 成薄薄的气膜，从而使摩擦面之间的滑 动阻力减小，磨损量也特别小。
氮化硅的力学性能
? 机械强度 随制备工艺和组织结构的不同而有较大幅度
温度低容易生成高? 相产物，温度高则生 成高? 相产物。有铁可促进反应进行。
为放热反应，应注意控制温度，以免超硅 熔融阻碍反应进行。
氮化硅陶瓷的制造方法
2）氧化硅还原氮化
3SiO2 ? 2N2 ? 6C ? 1?50?0℃? Si3N4 ? 6CO ? 生产中碳过量和氧化硅过量都会引入杂质
3）气相合成
性能最好、最有应用潜力和最有希望替代 镍基合金并在高温领域获得广泛应用的新 材料。
氮化硅结构
? 氮化硅与氮和硅通过共价键连接，结构 比较复杂，一般认为主要有
? ? -Si3N4，空间群为P63/m，六方晶格常数 a=0.7608nm，c=0.2910nm,易形成长柱 状结构
? ? -Si3N4，空间群为P31c,六方晶胞常数 a=0.7748~0.7765nm ， c=0.5617~0.5622nm，易形成等轴状颗 粒结构
氮化硅物理化学性质
? 氢氟酸对氮化硅腐蚀明显 ? 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 ? 对强辐射也是稳定的。
氮化硅的力学性能
? 硬度 ? -Si3N4－HV（15～20Gpa） ? -Si3N4－HV（32～34Gpa）（压痕5~10
微米） 莫氏硬度仅次于碳化硅、碳化硼、立方氮
烧结氮化硅负荷软化点可高达1800℃多。 ? 热膨胀系数小，（2.8~3.2）×10－6/℃ ? 导热性好－（2～155W/(mK)） －良好的抗热震性能（从室温～1000℃热冲
击不会开裂）
氮化硅物理化学性质
? 电绝缘性－（电阻率：1015～1016? ·cm） 介电损耗小，抗击穿电压高 （受合成方式、游离Si、烧结助剂引入的 杂质等影响）
过渡元素熔液能强烈润湿氮化硅并与Si反应 生成硅化物，迅速分解氮化硅放出氮气
氮化硅物理化学性质
? 对于合金熔液 氮化硅对黄铜、硬铝、镍银等很稳定，对
铸铁、中碳钢等也有较好的抗蚀性，但 不耐镍铬合金、不锈钢等腐蚀 （3）抗酸碱盐腐蚀性 一般的酸碱对氮化硅不起作用（HCl，浓硝 酸、王水、磷酸以及温度小于80℃的85 ％以下的硫酸、25％以下的NaOH溶液）
的变动。抗折强度在100～1200Mpa范围波 动。 ? 断裂韧性 较高（3～9Mpa·m1/2）四方氧化锆可达15， 铸铁、硬质合金（～30），比氧化铝、碳化 硅高。 ? 高温强度取决于晶界相。
氮化硅的力学性能
? 可机械加工性 未烧结的高压力等静压坯（如压力600Mpa）
可直接机械加工 半烧结的素坯，可以用普通车床加工，再完全
不均匀部分及杂质会使局部氧化加快，形成凹坑， 大大降低陶瓷强度。
氮化硅物理化学性质
（2）抗熔融金属腐蚀性 氮化硅对单质金属熔液（Al，Zn，Cd，Au，
Ag，Sn，P来自百度文库，Bi，Ga，Ge，In）不浸润， 不受腐蚀。 在真空或惰性气体中不受Cu腐蚀，有氧时氧 化铜会与氮化硅反应。 Mg、Si能将氮化硅润湿并微量侵蚀
精密研磨，表面粗糙度可达0.025微米（镜 状光泽面）；0.006微米（镜面）
氮化硅陶瓷的制造方法
? 原料粉的生成方法 1）硅粉直接氮化
3Si ? 2N2 ? 1?200?℃~1?45?0℃? Si3N4 3Si ? 4NH3 ? 1?200?℃~1?45?0℃? Si3 N4 ? 6H 2
? 化学稳定性：硅氮共价键结合，键能很高， 生成焓很高－稳定的化合物 （1）抗氧化性 800℃以下干燥气氛中不与氧反应
氮化硅物理化学性质
800℃以上开始反应
Si3N4 ? 3O2 ? 3SiO2 ? 2N2
反应在试样表面生成氧化硅膜，随温度升 高氧化硅膜逐渐变得稳定，
到1000℃左右形成致密氧化硅保护层，从 而防止氮化硅继续氧化。直到1400℃都基 本稳定。
3SiCl4 ? 16NH3 ? 1?40?0℃? Si3N4 ? 12NH4Cl 3SiH4 ? 4NH3 ? 1?40?0℃? Si3N4 ? 12H2 ? 可制得高纯超细氮化硅粉
氮化硅结构
? 1400~1600℃加热? -Si3N4会转变成? Si3N4。但不能说? 相是低温晶型， ? 是高 温晶型。
? 低温合成时两相可同时存在
? 两种结构除有对称性高低差别外，并没 有高低温之分！只不过? 相对称性低，容 易形成， ?相在热力学上更稳定！
氮化硅物理化学性质
? 热学性质：属高温难熔化合物 无熔点，常压下1900℃左右分解， 抗高温蠕变能力强，不含粘结剂的反应
氮化硅陶瓷
绪言
? 地球上氮和硅的含量非常高 ? 空气中氮气含量约78.6％ ? 地壳中硅是继氧后含量第二的元素
（26.09％） ? 自然界中没有氮硅化合物 ? 氮化硅为人工合成的新材料（1857年）
3Si ? 4NH 3 ? Si3N4 ? 6H 2
19世纪80年代，人们已经制备出氮化硅块体材料
绪言
氮化硅物理化学性质
潮湿空气中，氮化硅受热 200℃以上，即可 发生表面氧化作用
Si3N4 ? 6H 2O ? 3SiO2 ? 4NH 3
此反应生成的氧化硅是无定形的，不能形成致密保 护膜，这个反应会不断缓慢进行。
另外氧化作用与氮化硅陶瓷的气孔和由添加剂形成 的晶界相有很大关系，碱金属杂质会加快氧化反应。
? 二战之后，科学技术发展迅速，原子能、 火箭、燃气轮机等高技术领域对材料提 出了更高的要求，
? 迫使人们去寻求比耐热合金更能承受高 温、比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的新 材料。
? 氮化硅陶瓷性能优异，激发了人们对它 的热情和兴趣。
绪言
? 高的室温强度和高温强度 ? 高硬度 ? 耐磨蚀性好 ? 抗氧化性高 ? 良好的耐热冲击和机械冲击性能 ? 在高温结构陶瓷领域，氮化硅陶瓷是综合
化硼和金刚石。
氮化硅的力学性能
? 摩擦系数与自润滑性 摩擦系数小，在高温高速条件下，升高幅 度也较小，因此能保证机构的正常运转。 氮化硅陶瓷具有自润滑性
－－在压力作用下、摩擦表面微量分解形 成薄薄的气膜，从而使摩擦面之间的滑 动阻力减小，磨损量也特别小。
氮化硅的力学性能
? 机械强度 随制备工艺和组织结构的不同而有较大幅度
温度低容易生成高? 相产物，温度高则生 成高? 相产物。有铁可促进反应进行。
为放热反应，应注意控制温度，以免超硅 熔融阻碍反应进行。
氮化硅陶瓷的制造方法
2）氧化硅还原氮化
3SiO2 ? 2N2 ? 6C ? 1?50?0℃? Si3N4 ? 6CO ? 生产中碳过量和氧化硅过量都会引入杂质
3）气相合成
性能最好、最有应用潜力和最有希望替代 镍基合金并在高温领域获得广泛应用的新 材料。
氮化硅结构
? 氮化硅与氮和硅通过共价键连接，结构 比较复杂，一般认为主要有
? ? -Si3N4，空间群为P63/m，六方晶格常数 a=0.7608nm，c=0.2910nm,易形成长柱 状结构
? ? -Si3N4，空间群为P31c,六方晶胞常数 a=0.7748~0.7765nm ， c=0.5617~0.5622nm，易形成等轴状颗 粒结构
氮化硅物理化学性质
? 氢氟酸对氮化硅腐蚀明显 ? 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 ? 对强辐射也是稳定的。
氮化硅的力学性能
? 硬度 ? -Si3N4－HV（15～20Gpa） ? -Si3N4－HV（32～34Gpa）（压痕5~10
微米） 莫氏硬度仅次于碳化硅、碳化硼、立方氮
烧结氮化硅负荷软化点可高达1800℃多。 ? 热膨胀系数小，（2.8~3.2）×10－6/℃ ? 导热性好－（2～155W/(mK)） －良好的抗热震性能（从室温～1000℃热冲
击不会开裂）
氮化硅物理化学性质
? 电绝缘性－（电阻率：1015～1016? ·cm） 介电损耗小，抗击穿电压高 （受合成方式、游离Si、烧结助剂引入的 杂质等影响）
过渡元素熔液能强烈润湿氮化硅并与Si反应 生成硅化物，迅速分解氮化硅放出氮气
氮化硅物理化学性质
? 对于合金熔液 氮化硅对黄铜、硬铝、镍银等很稳定，对
铸铁、中碳钢等也有较好的抗蚀性，但 不耐镍铬合金、不锈钢等腐蚀 （3）抗酸碱盐腐蚀性 一般的酸碱对氮化硅不起作用（HCl，浓硝 酸、王水、磷酸以及温度小于80℃的85 ％以下的硫酸、25％以下的NaOH溶液）
的变动。抗折强度在100～1200Mpa范围波 动。 ? 断裂韧性 较高（3～9Mpa·m1/2）四方氧化锆可达15， 铸铁、硬质合金（～30），比氧化铝、碳化 硅高。 ? 高温强度取决于晶界相。
氮化硅的力学性能
? 可机械加工性 未烧结的高压力等静压坯（如压力600Mpa）
可直接机械加工 半烧结的素坯，可以用普通车床加工，再完全
不均匀部分及杂质会使局部氧化加快，形成凹坑， 大大降低陶瓷强度。
氮化硅物理化学性质
（2）抗熔融金属腐蚀性 氮化硅对单质金属熔液（Al，Zn，Cd，Au，
Ag，Sn，P来自百度文库，Bi，Ga，Ge，In）不浸润， 不受腐蚀。 在真空或惰性气体中不受Cu腐蚀，有氧时氧 化铜会与氮化硅反应。 Mg、Si能将氮化硅润湿并微量侵蚀