一、使用前景：

随着现代工业对高温性能优良的新型材料需求的增加及对烧结技术的研究的不断突破，氮化硅陶瓷的发展速度明显升高，应用愈加广泛。

①基板材料

相比较于其他陶瓷材料来说，氮化硅陶瓷具有许多优异的特性，其理论热导率可高达-W/m·K，同时氮化硅具有良好的化学稳定性能、高电阻率、低介电损耗和低膨胀系数、较高的抗弯强度和断裂韧性等特点。这些特性使其被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件散热和封装材料。

②轴承材料

滚动疲劳寿命是衡量轴承材料性能的重要指标。氮化硅陶瓷具有密度低、热膨胀系数小、较高弹性模量、高的抗压强度、耐高温、耐腐蚀、优良化学稳定性、自润滑性、长寿命、低温升等特点。在常见的结构陶瓷中，氮化硅的滚动疲劳寿命要明显高于氧化锆、碳化硅、氧化铝等材料，也最适合用作轴承材料的陶瓷材料。氮化硅精密陶瓷轴承已在电镀设备、高速机床、医疗装置、化工设备、低温工程、风力发电等精密传动系统获得越来越多的应用。

③研磨材料

氮化硅的硬度高，仅次于金刚石、立方氮化硼等少数超硬材料。摩擦系数小，有自润滑性，与加油的金属表面相似。在超细微粉和食品加工行业中，氮化硅陶瓷磨介球的性能相对于传统的研磨球而言，其硬度更高，耐磨性更优越。因其消耗非常低，降低了研磨成本及粉体污染程度。

④冶金材料

氮化硅陶瓷材料具有优良的化学稳定性和优良的机械性能，可用作冶金工业坩埚、燃烧器、铝电解槽内衬等热工设备上的零件。氮化硅陶瓷具有良好的抗氧化性。抗氧化温度可高达℃。在℃以下的干燥氧化气氛中稳定，使用温度可达℃。而氮化硅材料可用于急冷急热的环境，因此在冶金行业也有非常广泛的应用。

⑤机械工程

氮化硅陶瓷在机械工业中可用作涡轮叶片、机械密封环、高温轴承、高速刀具、永久模具等。传统机械行业的很多设备都使用金属材料。由于金属会存在不耐高温、易磨损、易腐蚀等缺陷，这些设备的可靠性和使用寿命都会受到很大影响。氮化硅陶瓷材料具有优良的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温热震性，可替代金属材料，应用于机械工业领域。

二、高性能氮化硅陶瓷的制备：

①氮化硅粉体的选择

氮化硅粉体主要有α-Si3N4粉体和β-Si3N4粉体两种。目前市场上的商业氮化硅粉的制备方法主要有：

●硅粉直接氮化法。硅粉直接氮化法在工业生产中工艺较为成熟，能够规模化生产，并且生产成本相对较低，因此国内外大多数企业使用该法来生产氮化硅粉。但该方法的弊端在于其所生产所得的氮化硅粉容易含有Fe、Ca、Al等杂质元素。

●硅亚胺热解法。该制备方法制备的氮化硅粉具有极高的α相含量，并且烧结活性优异，十分适合高性能氮化硅陶瓷的烧结与制备。此方法具有如下特点：生产的Si3N4粉末具有较好的结晶性，通过合适的热处理制度调控，其可以获得具有六角形等轴状晶粒的Si3N4粉；所制的Si3N4粉末具有较高的α相含量(95%)，氧含量较低(2.0%)，并且其中不含金属杂质元素，烧结活性较高；生产的氮化硅粉末较细，尺寸分布在0.2-1.0μm，并且产量巨大。

②烧结助剂的选择

氮化硅陶瓷烧结助剂主要分为金属氧化物和稀土氧化物两大类。主要有氧化镁、稀土氧化物(如氧化钇等)、复合烧结助剂（如Y2O3-Al2O3等）。在氮化硅陶瓷的烧结过程中分别添加复合烧结助剂Yb2O3-MgSiN2和Yb2O3-MgO来制备高导热氮化硅陶瓷。研究发现采用MgSiN2作为烧结助剂的氮化硅陶瓷，其热导率提高了约15%。有研究表明，在氮化硅陶瓷的烧结过程中加入Yb2O3作为烧结助剂，将会有利于氮化硅晶粒的生长，使其具有较大的长径比，并且随着Yb2O3添加量的增加，氮化硅晶粒的粗化现象也更加明显；采用两种或两种以上添加剂构成的复合助烧剂，可改善液相粘度，提高软化温度和高温性能。例如采用MgO-Al2O3-SiO2为添加剂与Si3N4粉末充分混合后，于℃×3h条件下进行常压烧结，Si3N4陶瓷的室温抗弯强度达到1.06GPa、显微硬度14.2GPa、断裂韧性6.6MPa·m1/2。稀土氧化物Nd2O3、Sm2O3、Dy2O3与MgO作为复合烧结助剂，能使β-Si3N4的颗粒具有高的长径比，从而提高材料的断裂韧性。

③烧结方式的选择

目前，氮化硅陶瓷的烧结主要使用的烧结方法有热压烧结、气压烧结、放电等离子烧结等。这些烧结方式在氮化硅陶瓷的烧结应用中各有优势。

●热压烧结是一种通过外加机械压力促进试样烧结的烧结方式。该方式把陶瓷粉末装填入模腔内，在外施机械压力的同时又把装填的粉末升温至烧成温度。因为外施机械压力的存在，所以烧结驱动力得到了增加，从而使试样更容易达到更高的致密程度。这使得热压烧结技术更容易制备难以烧结的陶瓷材料，例如许多共价键陶瓷材料。

●气压烧结是一种在陶瓷的高温烧结过程中配合一定气体压力的烧结方法。其气体压力一般维持在1-10MPa，目的是防止陶瓷材料在提高烧结温度条件下产生分解和失重，从而制备具有高致密度的陶瓷制品。

●放电等离子烧结是一种在烧结过程中向试样和模具施加大的脉冲电流，通过压力场、温度场、电流场等场效应来烧结制备材料的全新技术。通过放电等离子烧结可以达到表面活化；高速扩散，高速物质转移；有效加热，塑性变形提高；高密度能量供应；放电点的弥散运动；晶内快速冷却等效果。相比于其它烧结方式，放电等离子烧结具有能够实现陶瓷样品的低温、短时间烧结；烧结难以烧结的材料(不需要助烧剂)，连接不相容材料；能够实现短时间的均匀烧结；能够实现短时间的均匀烧结；烧结纳米材料(材料烧结时间短，导致晶体没有充足的生长时间，因此颗粒细小)等技术优势。

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