氮化硅

　　氮化硅是一种无机物，化学式为Si3N4。它是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体;高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。中国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。

　　氮化硅用做高级耐火材料，如与sic结合作SI3N4-SIC耐火材料用于高炉炉身等部位;如与BN结合作SI3N4-BN材料，用于水平连铸分离环。SI3N4-BN系水平连铸分离环是一种细结构陶瓷材料，结构均匀，具有高的机械强度。耐热冲击性好，又不会被钢液湿润，符合连铸的工艺要求。

　　氮化硅陶瓷制品的生产方法有两种，即反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法是将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生产方法成型。然后在氮化炉内，在1150~1200℃预氮化，获得一定强度后，可在机床上进行机械加工，接着在1350~1450℃进一步氮化18~36h，直到全部变为氮化硅为止。这样制得的产品尺寸精确，体积稳定。热压烧结法则是将氮化硅粉与少量添加剂(如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等)，在19.6MPa以上的压力和1600~1700℃条件下压热成型烧结。通常热压烧结法制得的产品比反应烧结制得的产品密度高，性能好。附表1中列出了这两种方法生产的氮化硅陶瓷的性能。

　　其他应用

　　氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。

　　氮化硅陶瓷材料可用于高温工程的部件，冶金工业等方面的高级耐火材料，化工工业中抗腐蚀部件和密封部件，机械加工工业的刀具和刃具等。

　　由于氮化硅与碳化硅、氧化铝、二氧化钍、氮化硼等能形成很强的结合，所以可用作结合材料，以不同配比进行改性。

　　此外，氮化硅还能应用到太阳能电池中。用PECVD法镀氮化硅膜后，不但能作为减反射膜可减小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入氮化硅薄膜以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。这里的氮化硅氮硅原子数目比并不是严格的4:3，而是根据工艺条件的不同而在一定范围内波动，不同的原子比例对应的薄膜的物理性质有所不同。

　　用于超高温燃气透平，飞机引擎，电炉等。

　　氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀;同时又是一种高性能电绝缘材料。

　　氮化硅 - 性质　化学式Si3N4。白色粉状晶体;熔点1900℃,密度3.44克/厘米(20℃);有两种变体：α型为六方密堆积结构;β型为似晶石结构。氮化硅有杂质或过量硅时呈灰色。

　　氮化硅与水几乎不发生作用;在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅;易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐蚀氮化硅，熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐和氨。氮化硅在 600℃以上能使过渡金属(见过渡元素)氧化物、氧化铅、氧化锌和二氧化锡等还原,并放出氧化氮和二氧化氮。1285℃ 时氮化硅与二氮化三钙Ca3N2发生以下反应：

　　Ca3N2+Si3N4─→3CaSiN2

　　氮化硅的制法有以下几种： 在1300～1400℃时将粉状硅与氮气反应; 在1500℃时将纯硅与氨作用;

　　在含少量氢气的氮气中灼烧二氧化硅和碳的混合物;将SiCl4的氨解产物Si(NH2)4完全热分解。氮化硅可用作催化剂载体、耐高温材料、涂层和磨料等。

　　氮化硅陶瓷具有高强度、耐高温的特点，在陶瓷材料中其综合力学性能最好，耐热震性能、抗氧化性能、耐磨损性能、耐蚀性能好，是热机部件用陶瓷的第一候选材料。在机械工业，氮化硅陶瓷用作轴承滚珠、滚柱、滚球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心轴 密封材料等。

　　在化学工业，氮化硅陶瓷用作耐磨、耐蚀部件。如球阀、泵体、燃烧汽化器、过滤器等。

　　在治金工业，由于氮化硅陶瓷耐高温，摩擦系数小，具有自润滑性。对多数金属、合金溶液稳定，因此，可制作金属材料加工的工模具，如拨菅芯棒、挤压、拨丝模具，轧辊、传送辊、发热体夹具、热偶套营、金属热处理支承件、坩埚，铝液导营、铝包内衬等。

　　氮化硅陶资材料在电子、军事和核工业方面也有广泛应用。

　　1、氮化硅陶瓷粉末的物理化性能及产品的技术指标

　　氮化硅陶瓷是一种白灰色粉末，分子式为：SI3N4 ;

　　分子重量：140.3 , 密度3.2g/cm³

　　其化学成分：N>38-39;0<1-1.5;C<0.1;Fe<0.2。

　　粒度按用户要求而定。

　　(一)氮化硅行业技术概述

　　氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。

　　我国自80年代中期开始研究氮化硅技术。主要是研究减重效率最高的结构氮化硅材料-多孔氮化硅材料，关于氮化硅复合材料的研究刚刚起步，多孔氮化硅复合材料材料组成体系的理论设计与试验设计相关研究很少，尚处于摸索阶段，受国内外相关研究资料较少的影响，这方面我国的研究一直处于相对落后地位，许多研究单位以及学者多把研究重点放在军工领域，而其它领域的应用研究基本尚处空白。这方面的研究有待进一步加强。多孔氮化硅陶瓷介电常数预测及其性能影响规律认识不够完全，其理论工作与试验工作的研究都很少。

　　(二)氮化硅制品的生产工艺：

　　氮化硅制品按工艺可以分为反应烧结制品、热压制品、常压烧结制品、等静压烧结制品和反应重烧制品等。其中，反应烧结是一种常用的生产氮化硅耐火制品的方法。

　　反应烧结法生产氮化硅制品是将磨细的硅粉(粒度一般小于80μm)，用机压或等静压成型，坯体干燥后，在氮气中加热至1350～1400℃，在烧成过程中同时氮化而制得。采用这种生产方法，原料条件和烧成工艺及气氛条件对制品的性能有很大的影响。

　　硅粉中含有许多杂质，如Fe，Ca，Aì，Ti等。Fe被认为是反应过程中的催化剂。它能促进硅的扩散，但同时，也将造成气孔等缺陷。Fe作为添加剂的主要作用：在反应过程中可作催化剂，促使制品表面生成SiO2氧化膜;形成铁硅熔系，氮溶解在液态FeSi2中，促进β-Si3N4的生成。但铁颗粒过大或含量过高，制品中也会出现气孔等缺陷，降低性能。一般铁的加入量为0～5%。Al，Ca，Ti等杂质，易与硅形成低共熔物。适当的添加量，可以促进烧结，提高制品的性能。

　　硅粉的粒度越细，比表面积越大，则可降低烧成温度。粒度较细的硅粉与粒度较粗的硅粉相比，制品中含α- Si3N4的量增高。降低硅粉的粒径，可以降低制品的显微气孔尺寸。适当的粒度配比，可以提高制品密度。

　　温度对氮化速率影响很大。在970～1000℃氮化反应开始，在1250℃左右反应速率加快。在高温阶段，由于是放热反应，若温度很快超过硅的熔点(1420℃)，则易出现流硅，严重的将使硅粉坯体熔融坍塌。

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