氮化硅新型功能陶瓷材料

氮化硅新型功能陶瓷材料

1.1氮化硅陶瓷材料以及其应用背景

自工业革命以来,所有的高温结构材料为金属和合金所垄断。然而,高温合金的使用温度(目前达到1100℃)无法满足当前新技术的需要,于是,具有更高使用温度潜力的高温陶瓷

材料(可达1400℃)应运而生。当前热机陶瓷材料正在以空前的规模进行研究和开发,Si

3N 4

工程陶瓷是其中最有希望和前途的材料之一。氮化硅陶瓷材料常被研究作为一种新型的透波材料应用于高超声速飞行器上，其在强度，耐磨，耐腐蚀等性能上有卓越表现，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。

1.2氮化硅的结构以及特点

氮化硅的结构单元为SiN4四面体，

A）氮化硅四面体b）氮化硅晶胞

类似金刚石的C—C4四面体，Si—N间共价健力强。其高温强度和热振性能好，可用作700摄氏度以上热震大场合的绝缘材料和开关电路基片。

1.3氮化硅常见晶体结构及其性质

氮化硅的晶体结构常见的有两种：α相与β相，均属于六方晶系。其中β-Si3N4结构较为稳定，Si3N4在1300℃时会发生α→β相变，常压高温直接分解为液态硅和氮气，分解温度为1877℃。下图中a）、b）分别为β-Si3N4与α-Si3N4晶体单胞结构，均由氮化硅四面体构成，二者唯一的区别便是沿c轴的堆垛顺序：α-Si3N4的堆垛顺序为ABCDAB…，β-Si3N4的堆垛顺序为ABABAB…，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，

A）α—Si3N4的单晶结构b）β—Si3N4的单晶结构

1.4氮化硅陶瓷材料的研究现状

距今为止，氮化硅陶瓷材料具有相关文字记载仅逾百年，自 1859 年 Deville等人首次成功合成氮化硅开始，氮化硅陶瓷材料的制备及性能研究成为众多研究团体关注的重点。研究人员分别于 1910 年和 1926 年两次对硅、氮元素化学计量比最接近于 3:4 的固体“氮化硅”陶瓷材料的性能进行了详细的测量和评价。

氮化硅与碳化硅同为结构陶瓷，具有相似的化学性能和制备方法，有关其应用的文献报道最早出现在上世纪 50 年代，氮化硅最初作为碳化硅和氧化物的粘结相应用于耐火材料，随后用于制造坩埚、热电偶管、火箭喷嘴等。上世纪 60 年代，随着对高温性能（尤其热震性能）优良的新型材料需求的增加，作为高温结构发动机的潜在应用材料——氮化硅陶瓷材料的发展速度明显升高。自上世纪 70 年代氮化硅陶瓷燃气轮机项目研发开始，氮化硅陶瓷材料的开发一直以陶瓷与电子工业为主，不断向其它应用领域扩展，其研究方向主要有五个基本分支：氮化硅基本物理性能、非晶薄膜氮化硅、粉末制备、多孔氮化硅陶瓷材料和致密氮化硅陶瓷材料。