氮化硅性能原理

氮化硅性能原理

（1）、作为人工合成材料之一的氮化硅陶瓷材料，具有高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震等优良的综合性能，广泛应用于机械、化工、海洋工程、航空航天等重要领域。对多晶材料而言，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学等性能的一个极其重要的因素。对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度是决定其能否作为高温工程材料应用的关键（2）、由于氮化硅分子的si—N键中共价键成分为70％，离子键成分为30％t引，因而是高共价性化合物，而且氮原子和硅原子的自扩散系数很小，致密化所必需的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，只有当烧结温度接近氮化硅分散温度(大于1850℃)时，原子迁移才有足够的速度。这决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化，所以除用硅粉直接氮化的反应烧结外，其它方法都需采用烧结助剂，利用液相烧结原理进行致密化烧结（3）、因此，研究烧结助剂对氮化硅陶瓷致密化烧结的影响显得尤为重要。氮化硅陶瓷作为新型的结构材料，受到越来越广泛的重视。

氮化硅工程陶瓷-家电领域

一、材料特性

抗弯强度kg/cm2 1700－2000 1600－1900 2100－2700 2200－2880

抗压kg/cm2 6500－9500 6000－8700 11000－14000 11000－15000

硬度HRA 78－82 76－80 83－85 85－87

热膨胀系数

（1/℃）

（20～800℃） 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6

摩擦系数 0.1 0.1 0.1 0.1

抗金属熔体浸蚀铝、锌、锡、铅等

适用范围：

适用于机械、化学与耐火材料、军事工业。

已适用情况：

可作为机械密封用的密封件、耐腐蚀泵体、熔融铝液中的热电偶保护管，适用效果良好。

二、企业接产条件

所有的原材料和设备全部国产化，生产线、建筑面积、劳动定员、水、电等随生产规模而定。

三、经济效益分析

该产品是一种新型的高温结构陶瓷材料，特别是注浆成型工艺的关键技术，填补了国内空白，另外，该材料为陶瓷发动机的首选材料，具有一定的社会效益。

前言

氮化硅陶瓷今天被视为结构陶瓷的先行材料，这种材料在各种温度下具有极高的强度和抗破坏韧性，还具有较高的热稳定性、硬度、耐磨性、抗氧化抗腐蚀性等，因此它是一种具有广阔发展前景的结构陶瓷。目前，使用氮化硅陶瓷生产的发动机部件、切削工具、轴承、自动气焊工作件等产品己显示出了优异的使用性能，产生了巨大的经济效益。但是，氮化硅陶瓷的潜力还远未得到挖掘，在制约氮化硅陶瓷结构和性能的众多因素中，氮化硅粉体和添加剂占有重要位置。

1 对氮化硅粉体的要求

1.1 粒子的分散性高，均质性好

对于大多数工艺而言，均需要亚微米尺寸的粉体，即表面积为10~25ｍ２／ｇ，这样可制得高密度微粒结构材料。

1.2 a-相含量

现在，还没有质量完全符合各种要求的粉体。就自身而言，用等离子体化学法合成的粉体可用于生产最优质量的氮化硅陶瓷。其粒子的较高分散性和缺陷程度可以保障粉体的高度活性和良好的烧结性。

这是因为：氮化硅陶瓷的烧结和结构形成过程与伴随的a-Si3N4→β-Si3N4相变有关，且这种变化是依据通过液相再结晶的机理发生的。虽然该项要求是公认的，但成功使用的氮化硅粉体还有非晶形成的，或含一些结晶相的。

1.3 氧量可控

氧作为基本杂质以被吸附形式参与氮化硅粉体，还以覆盖Si3N4粒子表面的SiO2和Si2N2O 形式参与。氧的含量决定烧结时的液相量，并影响材料的相组成、结构和性能。

1.4 金属杂质和碳量极少

氮化硅粉体中存有铁、钙、镁会降低烧结时的液相粘度，将最终密度增加1﹪~5﹪，但可促进Si3N4晶粒发育和陶瓷较粗粒结构的形成，降低机械应力作用下的高温强度和加快变形速度。有碳参与会减少液相量并改变其组成，抑制烧结和促进结构凝聚。

氮化硅粉体的性能取决于其合成方法和初始反应剂的质量。

表1中列出了采用不同合成方法制得的氮化硅粉体的基本特性。

表1 氮化硅粉体的性能

2 常用添加剂的作用

通过引入专用添加剂（通常为氧化物添加剂）可以在烧结氮化硅时达到调整液相量及其形成温度的目的。这类能活化烧结的添加剂参与氮化硅陶瓷的相形成和显微结构形成过程，从而对烧结材料的使用性能产生重要影响。

2.1 MgＯ添加剂

引入MgＯ作添加剂，可以保障液相形成和制得高密度热压氮化硅材料。液相的形成是由于氧化镁与二氧化硅（始终以Si3N4粒子表膜形成参与）相互作用的结果。起初人们认为，所形成液相的组成大致与Mg SiO3 - SiO2共晶体相符，但后来确定：它具有包括四种成分Mg-Si-O-N 的较复杂组成。冷却时，这种液相在Si3N4晶界上形成软化温度低（1000℃）的玻璃相，并决定了该材料的较低高温强度和抗蠕变能力。

2.2 Y2O3添加剂

在烧结或相对低温热压时于氮化硅中引入Y2O3可形成促进烧结的液相。该相于最终烧结的较高温下与氮化硅反应，形成较热强的粘结相。根据Y2O3和参与氮化硅粉末的表面的

SiO2数量，在该系统中可形成四种不同的氮化氧化物结晶相——Y2Si3O3N4、YsiO2N、Y4Si2O7N2、Y10（SiO4）6N2。这些相沿Si3N4晶界配置，一方面保障材料的较高耐高温强度，另一方面降低其抗氮化性。后者是因为所有这些相的氧化伴随有极大的体积效应，如当Y2Si3O3N4相氧化时，体积增大30﹪，于是陶瓷于氧化介质中工作时，它在晶界处损坏。

2.3 Y2O3——Al2O3复合添加剂

使用Y2O3——Al2O3复合添加剂可使氮化硅达到最佳烧结。因为这种添加剂可保障形成Y—Si——Al——O——N液相，在该相参与下氮化硅烧结得最充分。在引入Y2O3——Al2O3添加剂的情况下，可制得高强度氮化硅陶瓷。

2.4 土元素氧化物(La2O3、Sm2O3、 Nd2O3、 Yb2O3等)添加剂

引入稀土元素氧化物添加剂可因复杂氧化氮化物的形成而在陶瓷结构中产生热强晶间相。含这种添加剂的氮化硅材料在较高温度下具有极高的强度。