氮化硅陶瓷烧结工艺

氮化硅是经过多年深入研究而发展起来的综合性能优异的结构陶瓷。它具有高抗弯强度、高断裂韧性、良好的蠕变性、高硬度和优异的耐磨性。这些性能是由于氮化硅陶瓷制备过程中科学而严格的制备工艺，高长径比的晶粒和性能优异的晶间玻璃相导致的。同时，晶间玻璃相在高温下软化，控制了陶瓷的蠕变速率。优异的综合性能使得氮化硅陶瓷有着广泛的商业化应用。 

最早出现的反应烧结氮化硅（RBSN）充分利用了氮化硅陶瓷的耐高温和抗侵蚀性能，主要用来制备热电偶保护管、熔炼金属的坩埚和火箭的喷嘴等，是作为一种新型耐火材料而产生的。 考虑到氮化硅强共价键的存在，可以通过引入烧结助剂和提高温度来降低气孔率以实现强度的提高，由此产生了液相烧结为手段的无压烧结。氮化硅的液相烧结可分为两个过程：颗粒重排和溶解—沉淀。在现有体系中，重排对致密化的贡献约为 10 %，其余高达 17 %是溶解—沉淀造成的。无压烧结氮化硅陶瓷利用氮化硅陶瓷

耐磨、耐热和耐腐蚀等性能，大量应用于制备密封环、冶金工业中的辊环、承载融熔金属的器皿、溜槽等。 

Krstic 等以 Y2O3/Al2O3 为烧结助剂，在1700 ℃—1820 ℃，N2 气氛下，研究了无压烧结氮化硅陶瓷的相关性能和微观结构。当 Y2O3/Al2O3比为 2.33 时，晶粒平均长径比高为 4.92，断裂韧性为 7 MPam1/2，强度为 800 MPa。细长晶粒的长径比是控制烧结氮化硅陶瓷力学性能的微观结构。 

气压烧结氮化硅陶瓷相较其他工艺制备出的氮化硅用途更加广泛一点。除了已述的热电偶保护管、熔炼金属坩埚、火箭喷嘴、陶瓷刀具、轴承球、密封环、冶金工业中的辊环和承载融熔金属器皿等，其在陶瓷涡轮发动机部件中的应用比较广泛。例如：发动机中的涡流室锒块、挺柱、摇臂锒块、电热塞、涡轮增压器转子及气门等,燃气轮机中的高温高应力部件。例如：定叶片、动叶片、蜗壳等，如图 2 所示。

Tani 等利用 GPS 方法制备 Y-Al 系自增韧Si3N4，其抗弯强度为 550 MPa—900 MPa，断裂韧性为 8 MPa·m1/2—11MPa·m1/2。Huang 等在 1 MPa 氮气压力下，研究了不同摩尔比例的 Si3N4- AlN-Y2O3 体系液相形成温度，为后续气压烧结制备氮化硅陶瓷过程中温度调控提供了重要的温度理论基础。Kolitsch 等人对 Y2O3-Al2O3-SiO2 系统 的 相 转 变 关 系 和 物 相 组 成 进 行 了 研 究 ， 为Y2O3-Al2O3-SiO2 系氮化硅烧结过程中相平衡温度建立了可靠的数据。李文兰等人以 YAG 为添加剂研究了不同氮气压力对氮化硅制品的密度、强度等的影响，发现在 1900 ℃保温 3 h，氮气压力为 3 MPa 时，制得样品致密度最大。 

以少量烧结助剂的热压烧结工艺是为了促进氮化硅陶瓷进一步致密化。热压烧结法制备出氮化硅具有较高的硬度、强度和韧性，常用来生产陶瓷刀具。陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料，在生产中有广泛的应用。氮化硅具有非常高的耐磨性，它比硬质合金具有好的化学稳定性，可在高速条件下长时间切削加工。 

Pyzik 等利用热压的方法制备 Y-Mg-Ca 系自韧 Si3N4，其室温抗弯强度高约为 925MPa，断裂韧性为 9 MPa·m1/2—14 MPa·m1/2。在 1000 ℃下抗折强度低在 550MPa 以上，断裂韧性为 7 MPa·m1/2— 12 MPa·m1/2。当温度为 1300 ℃时，抗折强度最

低为 300 MPa，一些较优异样品达到 400 MPa— 500 MPa。罗学涛[49]利用气压烧结法制备 β-Si3N4晶种，加上热压方法制备 Y-Al 系 Si3N4 陶瓷，样品抗弯强度高达 887 MPa—1004 MPa，断裂韧性为 8.43 MPa·m1/2— 11.2 MPa·m1/2。少量晶种的引入有助于强度和韧性的提高，但加入量过多会造成力学性能下降。 

虽然热等静压烧结在气压烧结法之前已经发明并投入运用。但是，由于设备昂贵，生产工艺复杂和技术要求极高。目前主要用于制备高档氮化硅轴承球等产品，尚没有无压烧结和气压烧结等工艺应用广泛。由于热等静压烧结氮化硅致密程度很高，耐磨损和抗压性能极其优异，在一些对产品性能要求较高的领域，热等静压烧结氮化硅陶瓷仍然具有大量的应用前景。一种应用在红外探测器上的微型轴承就是运用该烧结方法制备的，如图 3 所示。 

至于微波烧结和放电等离子体烧结制备氮化硅陶瓷等方法，则是最近几年发展起来的。目前处于实验室研究阶段，尚无大规模的商业化应用