中國粉體網(wǎng)訊  你敢想象，氮化硅最初被發(fā)現(xiàn)后，竟然只是被用作“肥料”。人們認(rèn)為硅與氮結(jié)合，然后將氮化硅作為肥料撒在地面上，可以向植物釋放氮?dú)狻?/p>

后來，人們意識(shí)到氮化硅可能為一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，接下來的研究證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，憑借耐高溫、耐磨損、低密度、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)異性能，氮化硅陶瓷不斷被應(yīng)用于冶金、宇航、能源、機(jī)械、軍事技術(shù)、光學(xué)和玻璃工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

于是，氮化硅（陶瓷）材料被認(rèn)為是一種各方面十分完美的陶瓷材料，人們也毫不吝嗇的賦予了其很多“牛哄哄”的稱號(hào)，如“材料世界的全能冠軍”、“綜合性能最好的陶瓷材料”“陶瓷鋼”等等。

01.全能的秘密

氮化硅(Si3N4)是共價(jià)鍵程度達(dá)70%的強(qiáng)共價(jià)化合物，其晶體的基本結(jié)構(gòu)單元是一個(gè)硅氮四面體，硅原子位于四面體的中心，氮原子分別位于四面體的頂點(diǎn)。每個(gè)氮原子又被3個(gè)相互交疊的四面體共用，形成連續(xù)、穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

氮化硅四面體結(jié)構(gòu)單元示意圖

一般認(rèn)為，氮化硅晶體有3種晶型，分別為六方α晶系、六方β晶系和γ立方晶系。但γ-Si₃N₄只能在高溫高壓的條件下合成，因此，有關(guān)氮化硅結(jié)構(gòu)的研究主要集中在α-Si₃N₄和β-Si₃N₄。晶體的性質(zhì)與其空間結(jié)構(gòu)緊密相連。β-Si₃N₄熱力學(xué)性能優(yōu)渥，能夠耐受高于1420℃的高溫，且在高溫下會(huì)發(fā)生α構(gòu)型到β構(gòu)型的重建式轉(zhuǎn)變。

氮化硅晶體結(jié)構(gòu)：(a)α-Si₃N₄，(b)β-Si₃N₄，(c)γ-Si₃N₄

Si—N共價(jià)鍵具有方向性和飽和性，氮化硅作為共價(jià)晶體，原子之間的高結(jié)合強(qiáng)度賦予了其良好的硬度和機(jī)械強(qiáng)度，其陶瓷產(chǎn)品耐磨損，抗彎抗壓能力強(qiáng)，氮化硅陶瓷磨損失效與金屬相同，是以逐層脫落而非斷裂式損壞。氮化硅密度小，與同體積的鋼鐵、合金鋼、鈦合金等材料相比質(zhì)量輕得多。由于氮化硅四面體單元構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氮化硅的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠抵御除氫氟酸外其他無機(jī)酸或堿的侵蝕。β-Si3N4致密的層狀晶型排布方式也使得氮化硅具有極強(qiáng)的耐高溫性和抗熱震性。此外，其熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高，耐氧化溫度高達(dá)1300~1400℃，當(dāng)溫度到達(dá)1800℃以上才會(huì)發(fā)生分解。

氮化硅還具有良好的抗菌活性和成骨性。高溫?zé)�制的氮化硅材料還會(huì)呈現(xiàn)由突出棱狀β-Si₃N₄組成的微粗糙表面，這種特殊的表面結(jié)構(gòu)可以影響細(xì)菌交互行為，有良好的抗菌效果，而且增加成骨細(xì)胞附著能力，為后續(xù)的成骨分化、骨成長打下基礎(chǔ)。

從性質(zhì)上看，氮化硅陶瓷性能的確十分全面。當(dāng)然了，它畢竟是陶瓷材料，在韌性上我們無法苛求其像金屬一般，但其斷裂韌性仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮化鋁、氧化鋁等其他陶瓷材料（弱于氧化鋯）。

02.“全能”的表現(xiàn)：氮化硅的應(yīng)用

1955年，英國的Collin和Gerby采用反應(yīng)燒結(jié)法首次生產(chǎn)出陶瓷形式的氮化硅，此后氮化硅的應(yīng)用便主要以陶瓷形式展開。陶瓷制品充分發(fā)揮了材料本身良好的熱學(xué)、化學(xué)和機(jī)械性能，拓寬了氮化硅的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，順應(yīng)了新興技術(shù)與高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮，其廣泛被應(yīng)用在機(jī)械工程、半導(dǎo)體電子、生物醫(yī)學(xué)、冶金制造、透波、光學(xué)等領(lǐng)域，充分體現(xiàn)了“全能冠軍”的特征。

氮化硅陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域

航空航天

多孔氮化硅陶瓷具有相對(duì)較高的抗彎強(qiáng)度和更低的密度，這是其在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。它還具有抗蠕變性，可提高結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性。這種材料具有多種附加特性，包括硬度、電磁特性和熱阻，作為透波材料被用來制作天線罩、天線窗。隨著國防工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)彈向高馬赫數(shù)、寬頻帶、多模與精確制導(dǎo)方向發(fā)展。氮化硅陶瓷及其復(fù)合材料具有的防熱、透波、承載等優(yōu)異性能，使其成為新一代研究的高性能透波材料之一。

氮化硅導(dǎo)彈天線罩(灰色)

機(jī)械工程

氮化硅陶瓷主要作為熱輻射保護(hù)管、燃燒嘴、坩堝等應(yīng)用在冶金行業(yè)中。在機(jī)械行業(yè)中用作閥門、管道、分級(jí)輪以及陶瓷刀具，最廣泛的用途是氮化硅陶瓷軸承球，尤其是制成的氮化硅軸承被廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。

氮化硅陶瓷軸承球

2015年，中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術(shù)，成為繼美國庫斯泰克、日本東芝之后第三家，也是國內(nèi)首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)。

電子器件

為順應(yīng)電子科技領(lǐng)域系統(tǒng)化、智能化、集成化發(fā)展，半導(dǎo)體器件中電子芯片輸入功率持續(xù)升高，電路集成程度、排線密度越來越大，致使器件工作產(chǎn)生的熱量增多，為電子封裝基板散熱帶來困難，成為抑制器件提升工作效率的主要原因。氮化硅理論熱導(dǎo)率高，還具有高絕緣耐壓值、強(qiáng)抗氧化性以及與封裝內(nèi)芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，能夠滿足大功率散熱基板材料的制備要求，可用于高速電路和IGBT、LG、CPV等大功率半導(dǎo)體器件的封裝散熱。

超細(xì)研磨

氮化硅陶瓷在超細(xì)研磨領(lǐng)域也占有一席之地。氮化硅硬度高，僅次于金剛石、立方氮化硼等少數(shù)超硬材料，且摩擦系數(shù)小，具有自潤滑性。在超細(xì)微粉和食品加工行業(yè)中，氮化硅陶瓷磨介球的性能相對(duì)于傳統(tǒng)的研磨球而言，其硬度更高，耐磨性更優(yōu)越。

生物醫(yī)學(xué)

隨著生物醫(yī)學(xué)材料研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷不僅具有良好的生物相容性與成骨性，還能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性，并且具有較好的成像性能，是一種理想的生物醫(yī)學(xué)材料。其在生物傳感器、脊柱、骨科、牙科等植入物方面得到初步應(yīng)用。

氮化硅生物醫(yī)學(xué)材料

化學(xué)及冶金工業(yè)

氮化硅陶瓷材料具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的機(jī)械性能，在冶金工業(yè)中可用作坩堝、燃燒嘴、鋁電解槽襯里等熱工設(shè)備上的部件。氮化硅陶瓷具有良好的抗氧化性，抗氧化溫度可高達(dá)1400℃，在1400℃以下的干燥氧化氣氛中保持穩(wěn)定，使用溫度可達(dá)1300℃。并且氮化硅材料能夠應(yīng)用于急冷急熱的環(huán)境中，因此其在冶金工業(yè)也有著極廣泛的應(yīng)用。

小結(jié)

從全面的性能以及廣泛的用途來看，稱氮化硅（陶瓷）為全能冠軍并不夸張。

參考來源：

[1]宋殊銳等.材料世界的“全能冠軍”———氮化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用

[2]波等.氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展

[3]中國粉體網(wǎng)、粉體大數(shù)據(jù)研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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