氮化矽陶瓷有哪些應用？

  氮化矽 是一種無機化合物，化學式為Si。₃N₄它不溶於水，分子量為140.283，呈灰色或灰白色。它屬於高溫不溶性化合物，無熔點，具有強大的抗高溫蠕變能力。由於它不與其他無機酸反應，因此其溶解度僅限於氫氟酸和熱磷酸，表現出很高的耐腐蝕性。氮化矽（Si₃N₄）有三種晶體結構：​​α相、β相、γ相。 α相和β相是Si₃N₄最常見的晶型，可在常壓下合成。 γ相只能在高溫高壓條件下取得，其硬度可達35 GPa。

1.氮化矽陶瓷s

• 氮化矽陶瓷的生產方法：

氮化矽陶瓷製品的生產方法有兩種：反應燒結法和熱壓燒結法。反應燒結法是將矽粉或矽粉與氮化物混合物成型。 氮化矽粉末 依照一般陶瓷生產方法，首先將陶瓷粉末在氮化爐中於1150至1200℃的溫度範圍內進行預氮化處理。達到一定強度後，即可在機床上進行機械加工，接著在1350至1450℃的溫度下進行18至36小時的進一步氮化處理，直到完全轉化為氮化矽。以此方法生產的產品具有尺寸精確、體積穩定的特性。熱壓燒結法是將氮化矽粉末與少量添加劑（如MgO、Al）一起壓製成型。₂這₃，MgF₂，AlF₃或鐵₂這₃在壓力超過 19.6 MPa 且溫度介於 1600 至 1700°C 的條件下進行燒結。通常，與反應燒結法製備的產品相比，熱壓燒結法所製備的產品具有更高的密度和更好的性能。

• 氮化矽陶瓷的優點：

a. 在常壓下，矽的耐熱性₃N₄ 沒有熔點，在約 1870°C 時直接分解，可抵抗氧化至 1400°C，實際使用溫度最高可達 1200°C（機械強度在 1200°C 後會下降）。
b. 機械強度高，硬度接近剛玉，具有自潤滑耐磨性。室溫下彎曲強度可高達980MPa，可與合金鋼媲美，且強度在1200℃以下不下降。
c. 熱穩定性高，熱膨脹係數小，導熱係數高，抗熱衝擊性好，從室溫到 1000°C 的熱衝擊不會開裂。
d. 化學性質穩定，耐腐蝕性強，除氫氟酸外不與其他無機酸反應，濃度低於30%的氫氧化鈉（NaOH）溶液也能抵抗多種有機物的侵蝕，不潤濕多種有色金屬熔體（尤其是液態鋁），能承受強輻射照射。在800℃的乾燥氣氛中不與氧氣反應，超過800℃時表面開始形成二氧化矽薄膜。在1400℃以下仍能保持穩定。
e. 密度低，比重小，只有鋼的 2/5，電絕緣性好。
f. 氮化矽陶瓷也具有良好的微波傳輸性能、介電性能和高溫強度，可用作飛機雷達罩。

2.氮化矽陶瓷的應用

• 航空航太領域：氮化矽陶瓷具有耐熱性，即使在1400℃的高溫下也能保持高強度和高剛度。連續纖維增強的氮化矽陶瓷可應用於渦輪機零件，特別適用於小型引擎的陶瓷葉片、渦輪外環和空氣軸承。此外，氮化矽陶瓷的密度較低，僅為鋼軸承的41%，可有效減輕航空引擎的重量並降低油耗。

• 機械工程：氮化矽陶瓷具有摩擦係數小、自潤滑、強度高、熱膨脹係數小、溫度引起的體積變化小等優點，能有效防止滾珠或密封圈卡滯，可承受惡劣的工作環境，並可用於製造球閥、泵體、密封圈、過濾器、熱交換器部件、催化劑載體等。其軸承滾珠的使用壽命也高於普通軸承，但生產成本也相對較高。氮化矽摩擦係數小，常用於高溫軸承，其工作溫度可達1200℃，為一般合金軸承的2.5倍，工作速度為一般軸承的10倍。目前，氮化矽陶瓷軸承主要應用於以下四個面向：（1）高速軸承；（2）高溫軸承；（3）真空軸承；（4）耐腐蝕軸承。
• 超細研磨：氮化矽硬度極高，僅次於鑽石和立方氮化硼。由於其消耗量極低，可減少研磨介質的磨損和磨料的污染，有利於獲得更高純度的超細粉末。氮化矽陶瓷球是在非氧化環境下高溫燒結而成的精密陶瓷產品，具有耐酸鹼、耐腐蝕等特性，不僅可長期在海水中使用，而且具有優異的絕緣性和自潤滑性，因此可在無潤滑介質和高污染環境下使用。在800℃下，氮化矽陶瓷球的強度和硬度幾乎保持不變，重量僅為軸承鋼的三分之一左右。因此，氮化矽陶瓷球不僅可以成為陶瓷軸承和混合陶瓷軸承的首選球珠，而且在超細研磨領域中發揮重要作用。
• 汽車內燃機材料：目前，內燃機耐熱部件的製造材料主要為鎳基耐熱材料，工作溫度約1000℃。若採用陶瓷材料，工作溫度可提升至1300℃，引擎效率可提高約30%。陶瓷具有優異的高溫強度和導熱性，能夠延長引擎的使用壽命。採用具有良好電絕緣性和快速耐冷耐熱性能的氮化矽陶瓷製造預熱塞，氮化矽陶瓷預熱塞升溫速度比金屬預熱塞更快，工作溫度更高，用於汽車點火系統可大幅縮短引擎啟動時間，並能在寒冷天氣下快速啟動汽車。