氮化硅陶瓷是什么

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，氮化硅这种具有金刚石型三维晶格结构，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，具有高强度，高温热稳定性、抗热震性、化学稳定性，抗氧化性能和良好的电绝缘性及质硬性，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称。

在20世纪80年代后期开始对氮化硅陶瓷的进一步研究推动了氮化硅基材料在更多领域的应用。

氮化硅陶瓷具有金属材料和高分子材料所不具备的众多优点，耐高温、耐酸碱腐蚀、自润滑等，在微电子，航空航天、国防军工、机械领域得到广泛的应用，氮化硅陶瓷材料的优异特性随着制备工艺的改进得到充分发掘，商业用途得到快速发展。

氮化硅作为一种重要的结构陶瓷材料，超硬，耐磨，自带润滑性，能耐受高温并且抗氧化。

氮化硅陶瓷零部件热膨胀系数低，导热率高，故其耐热冲击性极佳。在1200℃温度以内，碳化硅陶瓷具有较高的强度和抗冲击性。特别适合用来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等特殊的机械构件。

例如利用耐高温特性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。

制备氮化硅陶瓷材料首先需要获得氮化硅粉体，再经过成型、烧结等工艺，最后得到所需要的氮化硅陶瓷，其中主要成型工艺有干压成型、冷等静压成型、流延成型等，然后烧结工艺有热压烧结、气压烧结( gas pressure sintering，GPS) 、热等静压烧结( hot isostatic pressure，HIP) 、放电等离子烧结( spark plasma sintering，SPS) 等。

1. 氮化硅陶瓷在机械领域的应用

氮化硅陶瓷是采用人工合成的高纯度氮化硅粉体，经过高温高压制备的具有共价键结构的新型陶瓷。 致密氮化硅陶瓷主要作为热辐射保护管、燃烧嘴、坩埚等应用在冶金行业中。在机械行业中用作阀门、管道、分级轮以及陶瓷刀具，最广泛的用途是氮化硅陶瓷轴承球。

 氮化硅陶瓷轴承球与钢质球相比具有突出的优点: 密度低、耐高温、自润滑、耐腐蚀。疲劳寿命破坏方式与钢质球相同。陶瓷球作为高速旋转体产生离心应力，氮化硅的低密度降低了高速旋转体外圈上的离心应力。致密Si₃N₄陶瓷还表现出高断裂韧性、高模量特性和自润滑性，可以出色地抵抗多种磨损，承受可能导致其他陶瓷材料产生裂纹、变形或坍塌的恶劣环境，包括极端温度、大温差、超高真空。氮化硅轴承有望在各个行业中获得广泛的应用。

2. 氮化硅陶瓷在透波材料领域的应用

多孔氮化硅陶瓷具有相对较高的抗弯强度和更低的密度，这是其在航空航天领域得到应用的关键因素之一。它还具有抗蠕变性(与金属相比) ，可提高结构在高温下的稳定性。这种材料具有多种附加特性，包括硬度、电磁特性和热阻，作为透波材料被用来制作天线罩、天线窗。氮化硅陶瓷及其复合材料具有的防热、透波、承载等优异性能，使其成为新一代研究的高性能透波材料之一。

3. 氮化硅陶瓷基板作为第三代半导体的重要材料

除了卓越的机械性能外，氮化硅陶瓷还表现出一系列优异的绝缘和导热性能，使其适用于要求苛刻的半导体领域。热导率是材料传递或传导热量的固有能力，由于氮化硅独特的化学成分和微观结构，与氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷相比，具有更优的综合性能。

从国内报道的数据看，半导体用氮化硅陶瓷仍处于科研机构和企业单位的小批量研制阶段，目前大多数单位还没有形成规模化生产。不同烧结助剂、不同制备工艺生产的氮化硅陶瓷基板性能略有不同，典型的氮化硅陶瓷基板尺寸为LWT=190mm * 138 mm *（0.2~0.635) mm，热导率指标可达100W/( m·K) ，抗弯强度可达650MPa以上。

4. 氮化硅陶瓷在生物陶瓷领域的应用

作为新一代生物陶瓷材料，氮化硅陶瓷除了具备陶瓷材料应有的优秀品质外，还应具有良好的射线成像性能、抗感染性能、生物相容性能以及骨整合性能。

Amedica公司开发了一种独特的氮化硅植入体，其具有非常高的综合性能。

以美国 SINTX为例，2012年以来，氮化硅脊柱材料以20%的速度增长。SINTX公司通过机器沉淀和Robocasting 3D 打印技术，成为全球首家采用该技术研制出医疗氮化硅陶瓷材料的公司。

日本特陶研制的氮化硅陶瓷关节也已广泛应用。官网报道，美国 Biorep 胰岛移植机里 用到直径为15．875mm的氮化硅球珠，氮化硅球珠可提高胰腺消化效率，同时防止胰腺与腔室系统同步移动，这些球珠还能增加胰腺组织在腔室系统内的分散程度。

高性能氮化硅陶瓷的应用越来越广泛，对氮化硅粉体质量的要求越来越高，如何突破氮化硅粉国产化制备技术，打破高端粉体受国外制约的现状，仍然是未来粉体发展的主要方向。

氮化硅陶瓷各种优异的特性被开发和应用，作为氮化硅陶瓷在国内、国际都占有一定的比例，产业化发展已成规模，未来的发展是提高国产高端陶瓷市场占比，同时提高国际市场占有率。但是目前氮化硅陶瓷在高透波材料、高导热材料以及生物科技材料领域和国外相比还有很大的差距，关键核心技术被国外企业所控制，高端材料和产品依赖于进口，国内目前还处在一个小批量研制阶段。将来在透波材料领域、半导体领域以及生物陶瓷领域，关键制备技术的突破以及产业化的实现是未来发展的主方向。