氮化硅陶瓷材料最终版

摘要氮化硅瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构瓷，它具有强度高、抗

热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅瓷的基本性质，综述了氮化硅瓷的制备工艺和国外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅瓷的发展前景。

Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high

temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces the basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.

氮化硅瓷材料

关键词氮化硅瓷性能制备工艺应用

Key words properties of silicon nitride ceramic preparation process and Application

1.前言

随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等），对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技日益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。

由于瓷材料的出现可以克服传统材料的不足而越来越被研究人员关注，经过努力研

究，在瓷的制备工艺和性能方面的研究已取得很大的进步，尤其是Si

3N

4

瓷的优越性

能得到了人们的广泛认可，就其结构、性能、烧结及应用已经开始系统的研究，本文就Si3N4瓷的基本性质，综述了氮化硅瓷的制备工艺和国外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅瓷的发展前景。

2.氮化硅材料的基本概况

2.1Si3N4的晶体结构

Si

3N

4

有两种晶型，即α—Si

3

N

4

(颗粒状晶体)和β一Si

3

N

4

(长柱状或针状晶体)，均属六

方晶系，都是由[SiN4】四面体共用顶角构成的三维空间网络。且相是由几乎完全对称的六个[SiN4】组成的六方环层在c轴方向重叠而成。而α相是由两层不同且有变形的非六方环层重叠而成。α相结构对称性低，部应变比β相大，故自由能比β相高，α相在

较高温度下(1400℃～1600℃)可转变为β相。因此有人将α—Si

3N

4

称为低温型，是不稳

定的，β—Si

3N

4

为高温型，是稳定的。

原子结构表明，Si的外层电子为3s23P2，即有4个外层电子，当它和氮原子形成共价键结合时，外层电子变为4个sp3杂化轨道，是空间的，需与4个氦原子成键，每个氮原予给出1个电子共价，si的外层满8个电子。这样就形成了[SiN4】四面体结构。对于氮原子，外层有5个电子，与si原予键和时，有一个P轨道自己耦合，这样只要有3个si原子各提供1个电子与N的sp2轨道键合，外层就满8个电子。所以它的周围有3个Si原予距离最近，这个sp2是平面杂化轨道，另外两个本身键合的ps2电子就垂直于这个平面。因此si 原子位于N的四面体中，而N处在Si的正三角形之中。由于si、N原子都达到电子满壳层的稳定结构，电予受束缚，因而电阻率很高。

从B一Si 3N4晶胞平面投影图(1-3)看出，一个晶胞含有6个Si原子，8个N原子。第一层平面上有3个Si原子如●所示，4个N原予如▲所示，在第二层平面上的Si为O，N为△。第三层(属另一晶胞)与第一层相对应，亦即在C轴方向上两层重复排列。

由于α—Si

3N

4

在高温下转变成β一Si

3

N

4

，因而人们曾认为α和β相分别为低温和高

温两种晶型。但随着研究的深入，很多现象不能用高低温型的说法解释。最明显的例子

是在低于相变温度的反应烧Si

3N

4

中，α和β可熊同时出现，反应终了β相占10％～40％

(质量)。又如在SiCl

4一NH

3

-H

2

系中加入少量的TiCl

4

，1350℃～1450℃可直接制备出β—

Si

3N

4

，若该系在1150℃生成沉淀，然后于Ar气中1400℃热处理6h，得到的仅是α一Si

3

N

4

。

看来该系的β一Si

3N

4

不是由a相转变过来的，而是直接生成的。

现在研究证明111，α—β相交是重建式的(不可逆)转变，并认为α相和β相除了在结构上有对称性高低的差别外，并没有高低温之分，β相只不过在温度上是热力学稳定的，α相对称性低容易形成。在高温下α相发生重建式转变转化为β相，某些杂质的存在有利于α—β相的转变。

表1-1列出了两个相的基本参数，可以看出，α相和β相的晶格常数α相差不大，而α相的晶格常数c约为β相的两倍。这两个相的密度几乎相等，所以在相变过程中不会引起体积的变化。它们的平均膨胀系数较低，β相的硬度比α相高得多，同时β相呈长柱状晶体，有利于材料力学性能的提高，因此要求材料中β相含量尽可能高。