氮化硅(Si3N4 ) 是一系列先進(jìn)的工程陶瓷，具有高強(qiáng)度、韌性和硬度以及優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

氮化硅是在 19 世紀(jì)中葉被發(fā)現(xiàn)的，但由于其共價(jià)鍵合性質(zhì)，因此并不易于制造。這最初導(dǎo)致了兩種類(lèi)型的氮化硅的發(fā)展，即反應(yīng)鍵合氮化硅 (RBSN) 和熱壓氮化硅 (HPSN)。隨后，自 1970 年代以來(lái)又開(kāi)發(fā)了兩種類(lèi)型：燒結(jié)氮化硅 (SSN)，包括賽隆，以及燒結(jié)反應(yīng)鍵合氮化硅 (SRBSN)。

當(dāng)前對(duì)基于氮化硅的工程材料的興趣主要源于 1980 年代對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷部件的研究。設(shè)想主要由基于氮化硅的部件（例如賽隆）制成的發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕，并且能夠在比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的溫度下運(yùn)行，從而提高效率。然而，最終這個(gè)目標(biāo)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，原因有很多，包括成本、可靠地制造零件的困難以及陶瓷固有的脆性。

然而，這項(xiàng)工作導(dǎo)致了氮化硅基材料的許多其他工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，例如金屬成型、工業(yè)磨損和熔融金屬處理。

不同類(lèi)型的氮化硅RBSN、HPSN、SRBSN和SSN是由它們的制造方法產(chǎn)生的，這決定了它們的性能和應(yīng)用。

反應(yīng)鍵合氮化硅 ( RBSN )

RBSN是通過(guò)在大約 1450°C 下對(duì)硅 (Si)“面團(tuán)”或壓塊仔細(xì)氮化制成的。在反應(yīng)過(guò)程中，Si3N 4在壓塊的孔隙中生長(zhǎng)。這導(dǎo)致伴隨密度增加的很小的尺寸變化。此功能是RBSN的最大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗ǔＴ试S將零件制成近凈形狀，而無(wú)需進(jìn)行后續(xù)昂貴的磨削操作。

該反應(yīng)的結(jié)果是最終產(chǎn)品含有孔隙，因此其機(jī)械性能不如其他類(lèi)型的氮化硅，如下表所示。然而，這種材料的生產(chǎn)成本相對(duì)較低，特別適用于窯具。

熱壓氮化硅 ( HPSN )

HPSN是在 1960 年代和 1970 年代開(kāi)發(fā)的，目的是讓工程師能夠利用 Si3N4 的一些出色特性，這是RBSN無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。HPSN是通過(guò)將助熔劑（通常是氧化鎂）添加到細(xì)的Si3N4粉末中，然后在通常為 1800°C 和 40MPa 壓力的石墨模具中壓制粉末而制成的。所得物體完全致密，具有優(yōu)異的機(jī)械性能（見(jiàn)下文）。

例如，這些HPSN已被用作切削工具。應(yīng)用往往是相對(duì)簡(jiǎn)單的形狀，因?yàn)闊釅骸芭髁稀北仨毥?jīng)過(guò)金剛石研磨才能獲得所需的輪廓。因此，HPSN部件往往很昂貴，現(xiàn)在已在很大程度上被SSN所取代。

燒結(jié)反應(yīng)鍵合氮化硅 ( SRBSN )

SRBSN是RBSN的發(fā)展，旨在降低產(chǎn)品的最終孔隙率，從而提高其機(jī)械性能（見(jiàn)下文）。這是通過(guò)向起始粉末混合物中添加燒結(jié)添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這允許材料在反應(yīng)粘合階段后燒結(jié)。雖然現(xiàn)在有顯著的收縮，但它比SSN小，并且允許更好的控制。

與RBSN 一樣，SRBSN的起始原料，主要是金屬硅，與高質(zhì)量氮化硅粉末相比相對(duì)便宜，因此SRBSN 的制造成本比HPSN和SSN都便宜。SRBSN 的應(yīng)用包括切削工具和磨損部件。

由于裂紋偏轉(zhuǎn) Si3N 4晶須的生長(zhǎng)，這些材料的最新發(fā)展顯示出韌性和抗沖擊性的改進(jìn)。

燒結(jié)氮化硅 ( SSN )

SSN涵蓋氮化硅材料，該材料通過(guò)在約 1750°C 的氮?dú)鈿夥罩袩o(wú)壓燒結(jié)而致密。為了幫助致密化，使用了各種燒結(jié)添加劑的組合，例如氧化釔、氧化鎂和氧化鋁。在添加含鋁添加劑的情況下，燒結(jié)材料可歸類(lèi)為賽隆。賽隆是基于元素硅(Si)、鋁(Al)、氧(O) 和氮(N) 的陶瓷合金，該術(shù)語(yǔ)通常與SSN互換使用。SSN的物理性質(zhì) 和 Syalon 101，一種由 International Syalons 制造的賽隆，在下表中與其他常見(jiàn)類(lèi)型的氮化硅進(jìn)行了比較。

SSN和賽隆通常為氮化硅提供最佳機(jī)械性能，并且最廣泛用于工業(yè)應(yīng)用，例如熔融金屬處理、工業(yè)磨損、金屬成型、石油和天然氣工業(yè)以及化學(xué)和加工工業(yè)。

RBSN、HPSN、SRBSN、SSN和Syalon 101的物性數(shù)據(jù)比較

在測(cè)試條件下獲得的 Syalon 101 的典型物理性能數(shù)據(jù)。所有性能均由獨(dú)立測(cè)試機(jī)構(gòu)測(cè)量。給出的值僅適用于確定它們的測(cè)試體，因此只能是推薦值。

概括

氮化硅是一種非常重要的工程陶瓷，有多種形式，每種形式都有其獨(dú)特的性能。這些包括高強(qiáng)度、韌性和硬度、優(yōu)異的耐磨性、耐多種酸和堿的腐蝕以及出色的抗熱震性。這些特性使氮化硅，特別是SSN和賽隆，能夠在許多工業(yè)應(yīng)用中找到用途。隨著材料越來(lái)越被廣泛接受和使用，新的應(yīng)用不斷被發(fā)現(xiàn)。