氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮与金属或非金属元素造成的陶瓷，是一类重要的结构与功能材料，具有良好的力学、化学、电学、热学及高温物理性能，在冶金、航空、化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。氮化硅、Sialon、氮化硼、氮化铝、氮化镓、氮化钛及过渡金属氮化物是研究与应用的热点。

氮化硅陶瓷氮化硅是键能高而稳定的共价键晶体。其特点是硬度高而摩擦因数低，且有自润滑作用，所以是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物；在1200℃以下时具有较高的机械性能和化学稳定性，并且热膨胀系数小、抗热冲击，所以可做优良的高温结构材料。另外，氮化硅陶瓷能耐各种无机酸(氢氟酸除外)和碱溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。需要特别指出的是：氮化硅的制造方法不同，得到陶瓷的晶格类型也不同，因而应用领域也各不一样。用反应烧结法得到的α-Si3N4主要用于制造各种泵的耐蚀、耐磨密封环等零件；而用热压烧结法得到的β-Si3N4，主要用于制造高温轴承、转子叶片、静叶片以及加工难切削材料的刀具等。生产中，在Si3N4中加一定量Al2O3烧制成陶瓷可制造柴油机的汽缸、活塞和燃气轮机的转动叶轮，表现出了较好的效果。1

氮化硅陶瓷的应用由于氮化硅陶瓷具有高强度高硬度耐磨损耐高温、耐腐蚀热膨胀系数小、抗热冲击性好等优良性能，所以在冶金、机械、能源、汽车等许多领城有着广泛的应用前景。

(1)用做机械零件。氮化硅陶瓷是高档的轴承材料，与传统的钢轴承球相比，其寿命长、耐腐蚀性介质、耐高温、自润滑性好,甚至可在无润滑剂情况下工作，主要用于高速机床主轴、计算机硬盘驱动器、高速汽轮机轴承等，其疲劳寿命可达106~107循环次数。由于Si3N4陶瓷的强度和断裂韧性较高，可以用来制作发动机的零件，如气门转子等；也可制作高温燃气轮机的动叶片、定叶片等,以便允许提高燃气轮机的祸轮人口温度。根据介绍，有的国家研制的300kW陶瓷高温燃气轮机，燃气人口温度为1350℃，热效率达到42.1%，其中许多部件为Si3N4陶瓷材料。

(2)用做切削刀具。热压Si3N4陶瓷作为金属切削刀具，具有非常高的耐磨性热硬性和抗冲击性。与硬质合金刀具相比，耐用度提高5~15倍，切削速度提高3~10倍，特别适合于灰铸铁、冷硬铸铁、高温合金的加工。2

氮化硼陶瓷氮化硼具有石墨类型的六方晶体结构。因而也叫“白色石墨”。其特点是：硬度较低，可与石墨一样进行各种切削加工，导热和抗热性能高，耐热性好。有自润滑性能，高温下耐腐蚀、绝缘性好。所以，该种材料主要用于高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。在高压和1360℃时，六方氮化硼会转化为立方β-BN，其密度为3.45X 103kg/m2，硬度提高到接近金刚石的硬度，而且在1925℃以下不会氧化，所以可用作金刚石的代用品，用于耐磨切削刀具、高温模具和磨料等。陶瓷材料不仅可以做结构材料，而且可以做性能优异的功能材料。1

氮化铝的应用(1)耐火材料。氮化铝不仅可以耐高温、耐腐蚀、耐合金和铝、铁等金属的熔蚀，而且还与银、铜、铝、铅等不润湿，可以用来制作耐火材料或坩埚的涂层作为表面防护材料.还可以制成浇铸模具和坩埚等结构材料。

(2)复合材料。纳米氮化铝作为结构材料的弥散相,增强基体材料的热导率、刚性及强度等。例如氮化铝可以用来提高某些金属(如铝)的刚性和强度，在工艺温度下不与金属反应，能够更好地控制基体与填料之间的界面。氮化铝还可以用来提高高分子聚合物的热导率和刚性,使其热膨张降低。将纳米氮化铝添加到粗颗粒的氮化铝中，可以有效改善氮化铝陶瓷的致密度和耐热疲劳性能，将热处理后的纳米氮化铝加入到刚玉一尖晶石浇注料中,可以提高浇注料的抗侵蚀性能。

(3)电子基板材料。氮化铝陶瓷广泛应用于军事领域中的多芯片模块、微波功率放大器以及民用领域的激光二极管载体、LED散热基板和高温半导体封装，氮化铝基片还广泛应用于电动及燃气混合型汽车大功率模块电路用氮化铝陶瓷承载基片。使用氮化铝作为LED的封装材料具有以下优点：(1)耐热性及导热性好，可以增加材料的使用寿命；(2)可制作较薄的封装材料。

(4)透明陶瓷。透明氮化铝陶瓷主要用于电子光学器件，用来制造光和电磁波的高温窗口、耐热涂层及装甲材料。以CaF2作为烧结助剂，采用无压烧结在1800℃~1850℃的温度下烧结12h，以及采用热压烧结在1700℃~1800℃的烧结温度下烧结4~10h可以制备出透明氮化铝陶瓷。3

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学