氮化硅陶瓷讲解氮化硅陶瓷及其制备成型工艺氮化硅（Si3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。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。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N成分为70%，离子键为30%，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。Si3N4含有两种晶型，一种为a-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为B-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，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。在高温状态下，B相在热力学上更稳定，因此a相会发生相变，转为B相。从而高a相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状B-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高,硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。晶体的常见参数如下图所示：Tab.'Latticeconstantandbulkdsnsiryofalic&nnitride菇J*nBL-I八岂嘉密度（妙CH?）IHacfl”SidNq■,7485.61?±).0014J.J84$-SiiNj+0.0012.PI&000573一1績和iwmTab.2Basicpropertiesofsiliconnitride物质晶系W(c)紙硬度M(g/cm3)导解(W/nrK)电孵(Q血)热鋼系敷(/C)190093.1849.46lO^lO02.7X10'6(20-1000Q其共价键长较短，成键电子数目多，原子间排列的方向性强，相邻原子间相互作用大。SisM存在两种由［Si-N4］四面体结构以不同的堆砌方式堆砌而成的Si3N4分子中Si原子和周围4个N原子以共价键结合，形成［Si-N4］四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成三维空间网，形成Si3N4,有两种相结构，a相和B相如下图所示：a相结卩相结三维网络晶形，一个是a-Si3N4，另一个是卩-Si3N4。正是由于［Si-N4］四面体结构单元的存在，Si3N4具有较高的硬度。在卩-Si3N4的一个晶胞内有6个Si原子,8个N原子。其中3个Si原子和4个N原子在一个平面上，另外3个Si原子和4个N原子在高一层平面上。第3层与第1层相对应，如此相应的在C轴方向按ABAB・・・重复排列，卩-Si3N4的晶胞参数为a=0.7606nm，c=0・2909nm。a-Si3N4中第3层、第4层的Si原子在平面位置上分别与第1层、第2层的Si原子错了一个位置，形成4层重复排列卩ABCDABCD...方式排列。相对卩-Si3N4而言,a-Si3N4晶胞参数变化不大，但在C轴方向约扩大一倍(a=0・775nm,c=0.5618)，其中还含有3%的氧原子以及许多硅空位，因此体系的稳定性较差，这使a相结构的四面体晶形发生畸变，而卩相在热力学上更稳定。由于氧原子在a相中形成Si-O-Si离子性较强的的键，这使a相中的［Si-N4］四面体易产生取向的改变和链的伸直，原子位置发生调整，使得a相在温度达到1300°C以上时转变到卩相，使其结构稳定。氮化硅陶瓷的优异的性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有：(1)机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到1200C不下降。(2)热稳定性好，热膨胀系数小，...
