氮化硅材料的性能特点及其应用简介

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷是无机非金属强共价键化合物，其基本结构单元为四面体，硅原子位于四面体的中心，四个氮原子分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个硅原子的形式在三维空间形成连续而又坚固的网络结构，氮化硅的许多性能都是因为其具有这种特殊的结构。因此Si₃N₄结构中氮原子与硅原子间结合力很强，其作为一种高温结构陶瓷，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称。

氮化硅（Si₃N₄）含有三种晶型，常见有两种晶型。一种为α-Si₃N₄，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si₃N₄，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系。

较长的堆叠顺序导致α相的硬度高于β相。 然而，与β相相比，α相化学不稳定。 所以在液相的高温下，α相总是转变为β相。 因此，β-Si₃N₄是氮化硅陶瓷中使用的主要形式。

1、氮化硅的物理性能：

①热学性质：属高温难熔物质，无熔点，常压下1900℃左右分解，抗高压蠕变能力强，不含粘结剂的反应烧结氮化硅负荷软化点可高达1800℃；

②导热性能好；

③热膨胀系数小；

④电绝缘性能好，介电系数小，抗击穿电压高。

2、氮化硅的化学性能：

①抗氧化性：800℃以下干燥气氛中不与氧反应；

②抗熔融金属腐蚀性：氮化硅对单质金属融液（除铜外）不浸润，不受腐蚀；

③抗酸碱盐腐蚀性：易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。

3、氮化硅的机械性能：

①高温强度好，1200℃高温强度与室温强度相比衰减不大，另外，它的高温蠕变率很低。这些都是由强共价键本质所决定的；

②硬度高，仅次于金刚石、立方BN、B₄C等少数几种超硬材料；

③摩擦系数小，有自润滑性，与加油的金属表面相似。

1.汽车产业：烧结氮化硅的主要应用在汽车行业作为一个发动机零件材料。 在火花点火发动机中，氮化硅用于较低磨损的摇臂垫，用于较低惯性的涡轮增压器和较少的发动机滞后，以及用于增加加速度的废气控制阀。

轴承： 与其他陶瓷相比，氮化硅陶瓷具有良好的抗冲击性。 因此，在性能轴承中使用由氮化硅陶瓷制成的滚珠轴承。 一个代表性的例子是在美国宇航局航天飞机的主发动机中使用氮化硅轴承。由于氮化硅球轴承比金属硬，所以这减少了与轴承轨道的接触。氮化硅球轴承可以在高端汽车轴承，工业轴承，风力涡轮机，赛车运动，自行车，溜冰鞋和滑板中找到。

2.高温材料：氮化硅长期以来一直用于高温应用。 特别地，它被确定为能够存活在氢/氧气火箭发动机中产生的严重热冲击和热梯度的少数单片陶瓷材料之一。

3.医疗：氮化硅具有许多矫形应用。该材料也是用于脊柱融合装置的PEEK（聚醚醚酮）和钛的替代物。 与PEEK和钛相比，氮化硅的亲水，微观结构表面有助于材料的强度，耐久性和可靠性。

4.金属切削刀具：由于其硬度，热稳定性和耐磨性，散装的整体式氮化硅被用作切割工具的材料。 特别推荐用于铸铁的高速加工。 热硬度，断裂韧性和耐热冲击性意味着烧结氮化硅可以切割铸铁，硬钢和镍基合金。

5.电子产品：通常用作制造集成电路中的绝缘体和化学屏障，以电隔离不同结构或作为体微机械加工中的蚀刻掩模。 作为微芯片的钝化层，它优于二氧化硅，因为它是对水分子和钠离子的显着更好的扩散阻挡，微电子学的两个主要腐蚀源和不稳定性。