氮化硅是一種無(wú)機(jī)物，化學(xué)式為Si3N4。它是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，硬度大，本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損，為原子晶體;高溫時(shí)抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會(huì)碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來(lái)制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的受熱面，不僅可以提高柴油機(jī)質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率。中國(guó)及美國(guó)、日本等國(guó)家都已研制出了這種柴油機(jī)。

　　氮化硅用做高級(jí)耐火材料，如與sic結(jié)合作SI3N4-SIC耐火材料用于高爐爐身等部位;如與BN結(jié)合作SI3N4-BN材料，用于水平連鑄分離環(huán)。SI3N4-BN系水平連鑄分離環(huán)是一種細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料，結(jié)構(gòu)均勻，具有高的機(jī)械強(qiáng)度。耐熱沖擊性好，又不會(huì)被鋼液濕潤(rùn)，符合連鑄的工藝要求。

　　氮化硅陶瓷制品的生產(chǎn)方法有兩種，即反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。反應(yīng)燒結(jié)法是將硅粉或硅粉與氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生產(chǎn)方法成型。然后在氮化爐內(nèi)，在1150~1200℃預(yù)氮化，獲得一定強(qiáng)度后，可在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械加工，接著在1350~1450℃進(jìn)一步氮化18~36h，直到全部變?yōu)榈铻橹?。這樣制得的產(chǎn)品尺寸精確，體積穩(wěn)定。熱壓燒結(jié)法則是將氮化硅粉與少量添加劑(如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等)，在19.6MPa以上的壓力和1600~1700℃條件下壓熱成型燒結(jié)。通常熱壓燒結(jié)法制得的產(chǎn)品比反應(yīng)燒結(jié)制得的產(chǎn)品密度高，性能好。附表1中列出了這兩種方法生產(chǎn)的氮化硅陶瓷的性能。

　　其他應(yīng)用

　　氮化硅陶瓷材料具有熱穩(wěn)定性高、抗氧化能力強(qiáng)以及產(chǎn)品尺寸精確度高等優(yōu)良性能。由于氮化硅是鍵強(qiáng)高的共價(jià)化合物，并在空氣中能形成氧化物保護(hù)膜，所以還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保護(hù)膜可防止進(jìn)一步氧化，并且不被鋁、鉛、錫、銀、黃銅、鎳等很多種熔融金屬或合金所浸潤(rùn)或腐蝕，但能被鎂、鎳鉻合金、不銹鋼等熔液所腐蝕。

　　氮化硅陶瓷材料可用于高溫工程的部件，冶金工業(yè)等方面的高級(jí)耐火材料，化工工業(yè)中抗腐蝕部件和密封部件，機(jī)械加工工業(yè)的刀具和刃具等。

　　由于氮化硅與碳化硅、氧化鋁、二氧化釷、氮化硼等能形成很強(qiáng)的結(jié)合，所以可用作結(jié)合材料，以不同配比進(jìn)行改性。

　　此外，氮化硅還能應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中。用PECVD法鍍氮化硅膜后，不但能作為減反射膜可減小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉積過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)物氫原子進(jìn)入氮化硅薄膜以及硅片內(nèi)，起到了鈍化缺陷的作用。這里的氮化硅氮硅原子數(shù)目比并不是嚴(yán)格的4:3，而是根據(jù)工藝條件的不同而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不同的原子比例對(duì)應(yīng)的薄膜的物理性質(zhì)有所不同。

　　用于超高溫燃?xì)馔钙?，飛機(jī)引擎，電爐等。

　　氮化硅的強(qiáng)度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，強(qiáng)度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，一直到1900℃才會(huì)分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)酸的腐蝕;同時(shí)又是一種高性能電絕緣材料。

　　氮化硅 - 性質(zhì)　化學(xué)式Si3N4。白色粉狀晶體;熔點(diǎn)1900℃,密度3.44克/厘米(20℃);有兩種變體：α型為六方密堆積結(jié)構(gòu);β型為似晶石結(jié)構(gòu)。氮化硅有雜質(zhì)或過(guò)量硅時(shí)呈灰色。

　　氮化硅與水幾乎不發(fā)生作用;在濃強(qiáng)酸溶液中緩慢水解生成銨鹽和二氧化硅;易溶于氫氟酸，與稀酸不起作用。濃強(qiáng)堿溶液能緩慢腐蝕氮化硅，熔融的強(qiáng)堿能很快使氮化硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}和氨。氮化硅在 600℃以上能使過(guò)渡金屬(見過(guò)渡元素)氧化物、氧化鉛、氧化鋅和二氧化錫等還原,并放出氧化氮和二氧化氮。1285℃ 時(shí)氮化硅與二氮化三鈣Ca3N2發(fā)生以下反應(yīng)：

　　Ca3N2+Si3N4─→3CaSiN2

　　氮化硅的制法有以下幾種： 在1300～1400℃時(shí)將粉狀硅與氮?dú)夥磻?yīng); 在1500℃時(shí)將純硅與氨作用;

　　在含少量氫氣的氮?dú)庵凶茻趸韬吞嫉幕旌衔?將SiCl4的氨解產(chǎn)物Si(NH2)4完全熱分解。氮化硅可用作催化劑載體、耐高溫材料、涂層和磨料等。

　　氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、耐高溫的特點(diǎn)，在陶瓷材料中其綜合力學(xué)性能最好，耐熱震性能、抗氧化性能、耐磨損性能、耐蝕性能好，是熱機(jī)部件用陶瓷的第一候選材料。在機(jī)械工業(yè)，氮化硅陶瓷用作軸承滾珠、滾柱、滾球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心軸 密封材料等。

　　在化學(xué)工業(yè)，氮化硅陶瓷用作耐磨、耐蝕部件。如球閥、泵體、燃燒汽化器、過(guò)濾器等。

　　在治金工業(yè)，由于氮化硅陶瓷耐高溫，摩擦系數(shù)小，具有自潤(rùn)滑性。對(duì)多數(shù)金屬、合金溶液穩(wěn)定，因此，可制作金屬材料加工的工模具，如撥菅芯棒、擠壓、撥絲模具，軋輥、傳送輥、發(fā)熱體夾具、熱偶套營(yíng)、金屬熱處理支承件、坩堝，鋁液導(dǎo)營(yíng)、鋁包內(nèi)襯等。

　　氮化硅陶資材料在電子、軍事和核工業(yè)方面也有廣泛應(yīng)用。

　　1、氮化硅陶瓷粉末的物理化性能及產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

　　氮化硅陶瓷是一種白灰色粉末，分子式為：SI3N4 ;

　　分子重量：140.3 , 密度3.2g/cm³

　　其化學(xué)成分：N>38-39;0<1-1.5;C<0.1;Fe<0.2。

　　粒度按用戶要求而定。

　　(一)氮化硅行業(yè)技術(shù)概述

　　氮化硅是在人工條件下合成的化合物。雖早在140多年前就直接合成了氮化硅，但當(dāng)時(shí)僅僅作為一種穩(wěn)定的“難熔”的氮化物留在人們的記憶中。二次大戰(zhàn)后，科技的迅速發(fā)展，迫切需要耐高溫、高硬度、高強(qiáng)度、抗腐蝕的材料。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，直至1955年氮化硅才被重視，七十年代中期才真正制得了高質(zhì)量、低成本，有廣泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。

　　我國(guó)自80年代中期開始研究氮化硅技術(shù)。主要是研究減重效率最高的結(jié)構(gòu)氮化硅材料-多孔氮化硅材料，關(guān)于氮化硅復(fù)合材料的研究剛剛起步，多孔氮化硅復(fù)合材料材料組成體系的理論設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)研究很少，尚處于摸索階段，受國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料較少的影響，這方面我國(guó)的研究一直處于相對(duì)落后地位，許多研究單位以及學(xué)者多把研究重點(diǎn)放在軍工領(lǐng)域，而其它領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本尚處空白。這方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。多孔氮化硅陶瓷介電常數(shù)預(yù)測(cè)及其性能影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠完全，其理論工作與試驗(yàn)工作的研究都很少。

　　(二)氮化硅制品的生產(chǎn)工藝：

　　氮化硅制品按工藝可以分為反應(yīng)燒結(jié)制品、熱壓制品、常壓燒結(jié)制品、等靜壓燒結(jié)制品和反應(yīng)重?zé)破返?。其中，反?yīng)燒結(jié)是一種常用的生產(chǎn)氮化硅耐火制品的方法。

　　反應(yīng)燒結(jié)法生產(chǎn)氮化硅制品是將磨細(xì)的硅粉(粒度一般小于80μm)，用機(jī)壓或等靜壓成型，坯體干燥后，在氮?dú)庵屑訜嶂?350～1400℃，在燒成過(guò)程中同時(shí)氮化而制得。采用這種生產(chǎn)方法，原料條件和燒成工藝及氣氛條件對(duì)制品的性能有很大的影響。

　　硅粉中含有許多雜質(zhì)，如Fe，Ca，Aì，Ti等。Fe被認(rèn)為是反應(yīng)過(guò)程中的催化劑。它能促進(jìn)硅的擴(kuò)散，但同時(shí)，也將造成氣孔等缺陷。Fe作為添加劑的主要作用：在反應(yīng)過(guò)程中可作催化劑，促使制品表面生成SiO2氧化膜;形成鐵硅熔系，氮溶解在液態(tài)FeSi2中，促進(jìn)β-Si3N4的生成。但鐵顆粒過(guò)大或含量過(guò)高，制品中也會(huì)出現(xiàn)氣孔等缺陷，降低性能。一般鐵的加入量為0～5%。Al，Ca，Ti等雜質(zhì)，易與硅形成低共熔物。適當(dāng)?shù)奶砑恿浚梢源龠M(jìn)燒結(jié)，提高制品的性能。

　　硅粉的粒度越細(xì)，比表面積越大，則可降低燒成溫度。粒度較細(xì)的硅粉與粒度較粗的硅粉相比，制品中含α- Si3N4的量增高。降低硅粉的粒徑，可以降低制品的顯微氣孔尺寸。適當(dāng)?shù)牧６扰浔龋梢蕴岣咧破访芏取?/p>

　　溫度對(duì)氮化速率影響很大。在970～1000℃氮化反應(yīng)開始，在1250℃左右反應(yīng)速率加快。在高溫階段，由于是放熱反應(yīng)，若溫度很快超過(guò)硅的熔點(diǎn)(1420℃)，則易出現(xiàn)流硅，嚴(yán)重的將使硅粉坯體熔融坍塌。

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