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產品簡介

一、產品性質

氮化硅分子式為Si3N4,屬于共價鍵結合的化合物，氮化硅陶瓷屬多晶材料，晶體結構屬六方晶系，一般分為α、β兩種晶向，均由[SiN4]4- 四面體構成，其中β- Si3N4對稱性較高，摩爾體積較小，在溫度上是熱力學穩定相，而α- Si3N4在動力學上較容易生成，高溫（1400℃～1800℃）時，α相會發生相變，成為β型，這種相變是不可逆的，故α相有利于燒結。

不同晶相得氮化硅外觀是不同的，α- Si3N4呈白色或灰白色疏松羊毛狀或針狀體，β- Si3N4則顏色較深，呈致密的顆粒狀多面體或短棱柱體，氮化硅晶須是透明或半透明的，氮化硅陶瓷的外觀呈灰色、藍灰到灰黑色，因密度、相比例的不同而異，也有因添加劑呈其他色澤。氮化硅陶瓷表面經拋光后，有金屬光澤。

氮化硅的理論密度為3100±10kg/m3，實際測得α- Si3N4的真比重為3184 kg/m3，β- Si3N4的真比重為3187 kg/m3。氮化硅陶瓷的體積密度因工藝而變化較大，一般為理論密度的80%以上，大約在2200～3200 kg/m3之間，氣孔率的高低是密度不同的主要原因，反應燒結氮化硅的氣孔率一般在20%左右，密度是2200～2600 kg/m3，而熱壓氮化硅氣孔率在5%以下，密度達3000～3200 kg/m3，與用途相近的其他材料比較，不僅密度低于所有高溫合金，而且在高溫結構陶瓷中也是密度較低的一種。

氮化硅陶瓷可做高溫絕緣材料，其性能指標的優劣主要取決于合成方式與純度，材料內未被氮化的游離硅，在制備中帶入的堿金屬、堿土金屬、鐵、鈦、鎳等雜志，均可惡化氮化硅陶瓷的電性能。一般氮化硅陶瓷在室溫下、在干燥介質中的比電阻為1015～1016歐姆，介電常數是9.4～9.5，在高溫下，氮化硅陶瓷仍保持較高的比電阻值，隨著工藝條件的提高，氮化硅可以進入常用電介質行列。

燒結氮化硅 ,其熱膨脹系數較低 ,為 2. 53×10- 6/℃,導熱率為 18.42 W/ m ·K ,因此它具有優良的抗熱震性能 ,僅次于石英和微晶玻璃 ,有實驗報告說明密度為2500 kg/m3的反應燒結氮化硅試樣由1200 ℃冷卻至20℃熱循環上千次，仍然不破裂，氮化硅陶瓷的熱穩定性好，可在高溫中長期使用。在氧化氣氛中可使用到1400℃，在中性或還原氣氛中一直可使用到1850℃。

氮化硅具有較高的機械強度，一般熱壓制品的抗折強度500～700MPa ,高的可達1000～1200MPa;反應燒結后的抗折強度200MPa ,高的可300～400MPa。雖然反應燒結制品的室溫強度不高, 但在1200～1350℃的高溫下 ,其強度仍不下降。氮化硅的高溫蠕變小,例如,反應燒結的氮化硅在1200℃時荷重為24MPa,1000h后其形變為0.5 %。

氮化硅陶瓷摩擦系數較小，在高溫高速的條件下，摩擦系數提高幅度也較小，因此能保證機構的正常運行，這是它一個突出的優點，氮化硅陶瓷開始對磨時滑動摩擦系數達到1.0至1.5，經精密磨合后，摩擦系數就大大下降，保持在0.5以下，所以氮化硅陶瓷被認為是具有自潤滑性的材料。這種自潤滑性產生的主要原因，不同于石墨，氮化硼，滑石等在于材料組織的鱗片層狀結構。它是在壓力作用下，摩擦表面微量分解形成薄薄得氣膜，從而使摩擦面之間的滑動阻力減少，摩擦面得光潔度增加。這樣越摩擦，阻力越小，磨損量也特別小，而大多數材料在不斷摩擦后，因表面磨損或溫度升高軟化，摩擦系數往往逐漸增大。

氮化硅陶瓷可以通過機械加工的方式來達到所要求的形狀和精度，表面光潔度。

氮化硅具有優良的化學性能 ,能耐除氫氟酸以外的所有無機酸和25%以下的氫氧化鈉溶液腐蝕。它耐氧化的溫度可達1400℃,在還原氣氛中最高可使用到1870℃,對金屬（特別是AL液）尤其對非金屬不潤濕。

從以上氮化硅陶瓷的物理化學性質可知，氮化硅陶瓷的優異性能對于現代技術經常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質的工作環境，具有特殊的使用價值。它突出的優點是：

具有以下優點：

（1）機械強度高，硬度接近于剛玉。熱壓氮化硅的室溫抗彎強度可以高達780—980MPa，有的甚至更高，能與合金鋼相比，而且強度可以一直維持到1200 ℃不下降。

（2）機械自潤滑，表面摩擦系數小、耐磨損、彈性模量大，耐高溫。

（3）熱膨脹系數小，導熱系數大，抗熱震性好。

（4）密度低，比重小。

（5） 耐腐蝕，抗氧化。

（6） 電絕緣性好。

二、產品用途

（1）在冶金工業上制作坩堝，馬弗爐爐膛，燃燒嘴，發熱體夾具，鑄模，鋁業導管，熱電偶保護套管，鋁電解槽襯里等熱工設備上的部件。

（2）在機械制作工業制作高速車刀，軸承，金屬部件熱處理的支承件，轉子發動機刮片，燃氣輪機的導向葉片和渦輪葉片。

（3）在化學工業上用作球閥，泵體，密封環，過濾器，熱交換器部件以及固定化觸媒載體，燃燒舟，蒸發皿。

（4）在半導體、航空、原子能等工業用于制造開關電路基片，薄膜電容器，承高溫或溫度巨變的電絕緣體，雷達電線罩，導彈尾噴管，原子反應堆中的支承件和隔離件，核裂變物質的載體。

（5）在醫藥工業中可做人工關節。

技術概況

制備氮化硅陶瓷制品的工藝流程一般由原料處理、粉體合成、粉料處理、成形、生坯處理，燒結和陶瓷體處理等環節組成。

氮化硅陶瓷制備工藝的類型主要是按合成、成型和燒結的不同方法和次序區分的。

反應燒結氮化硅是把Si粉或Si粉與Si3N4粉的混合物成形后 ,在1200 ℃左右通氮氣進行預氮化,之后機械加工成所需件,最后在 1400 ℃左右進行最終氮化燒結。在此過程中不需添加助燒劑等,因此高溫下材料強度不會明顯降低。同時,反應燒結氮化硅具有無收縮特性,可制備形狀復雜的部件,但因制品致密度低70 %～90 % ,存在大量氣孔,力學性能受到較大的影響。

常壓燒結氮化硅是以高純、超細、高α相含量的氮化硅粉末與少量助燒劑混合,通過成形、燒結等工序制備而成。在燒結過程中,α相向液相溶解, 之后析出在β- Si3N4晶核上變為β- Si3N4，這有利于燒結過程的進行。燒結時必須通入氮氣 ,以抑制Si3N4的高溫分解。常壓燒結可獲得形狀復雜、性能優良的陶瓷 ,其缺點是燒結收縮率較大 ,一般為16 %～26 %,易使制品開裂變形。

將反應燒結的Si3N4燒結坯在助燒劑存在的情況下,置于氮化硅粉末中,在高溫下重燒結,得到致密的Si3N4制品。助燒劑可在硅粉球磨時引入,也可用浸漬的方法在反應燒結后浸滲加入。由于反應燒結過程中可預加工,在重燒結過程中的收縮僅有6 %～10 %,所以可制備形狀復雜,性能優良的部件。

把氮化硅粉末與助燒劑置于石墨模具,在高溫下單向加壓燒結。由于外加壓力提高了燒結驅動力,加快了α→β轉變及致密化速度。熱壓法可得到致密度大于95 %的高強氮化硅陶瓷,材料性能高,且制造周期短。但是這種方法只能制造形狀簡單的制品 ,對于形狀復雜的部件加工費用高 ,而且由于單向加壓 ,組織存在擇優取向 ,使性能在與熱壓面平行及垂直方向有差異。

氣壓燒結是把Si3N4壓坯在5～12MPa的氮氣中于1800～2100 ℃下進行燒結。由于氮氣壓力高 ,從而提高了Si3N4的分解溫度 ,有利于選用能形成高耐火度晶間相的助燒劑 ,來提高材料的高溫性能。

將氮化硅及助燒劑的混合物粉末封裝到金屬或玻璃包套中 ,抽真空后通過高壓氣體在高溫下燒結。常用的壓力為200MPa ,溫度為 2000℃熱等靜壓氮化硅可達理論密度,但它工藝復雜,成本較高。

近年來還發展了其他一些燒結和致密化工藝,如超高壓燒結、化學氣相沉積、爆炸成形等。