【粉体介绍】氮化硅陶瓷的起源与发展

氮化硅（Si₃N₄）是一种由硅和氮组成的共价键化合物，于1857年被发现，早期有些学者尤其是德国的研究者们并不完全认同其化学组成，后来大量的研究证实了该化学式的正确性，直到现在被广泛引用。然而，在诞生以后的一百多年时间里，氮化硅材料一直没有出现大规模的应用。

陶瓷形式的氮化硅最早是由英国发展起来的。该陶瓷材料在1955年首次生产，主要用于热电偶管、熔融金属坩埚和火箭喷嘴。这种类型的材料是将金属硅粉末压坯再经升温和冲入氮气氮化形成的，后来被称为反应结合氮化硅。由于这种反应烧结氮化硅一般含有25%左右的气孔，致密化程度不够高，因而未能体现氮化硅材料的高强度和硬度等性能。

1960年，Parr、Martin和May等发表了关于反应结合氮化硅性质和结构的综述，概述了他们所开发的技术，这些技术为后续的氮化硅陶瓷发展提供了很大的技术支撑。

20世纪70年代，美国开始了大规模的氮化硅材料开发计划。美国国防部在1971年开始与福特汽车公司和西屋电气公司进行五年发展规划的项目合作。该项目旨在探究氮化硅替代传统发动机材料，开发陶瓷燃气涡轮发动机的可行性。项目早期就意识到，由于热压只局限于生产简单形状的氮化硅，而燃气涡轮发动机零部件都是异形件。除非通过改进氮化硅陶瓷制造工艺，否则无法实现陶瓷材料在发动机方面的应用。

1976年，Terwilliger和Lange在西屋实验室偶然发现，氮化硅粉末无需施加机械压力就可以烧结，在高于正常温度的条件下对掺杂氧化镁、氮化硅粉末进行热压实验。当不施加常规压力时，氮化硅粉末圆筒仍然发生了明显的收缩。因此，可以认为在石墨模具的有限空间内，氮化硅的蒸发损失得到了抑制，从而能够发生整体致密化，这是高密度氮化硅陶瓷发展的重要一步，在这一基础上发展了无压烧结氮化硅。

在高温烧结时，氮化硅高温分解非常显著，仅靠单纯的埋粉已经无法抑制，需要进一步提高工艺抑制氮化硅高温分解，促进烧结体致密化。于是，便发展了气压烧结氮化硅。1976年，日本Mitomo报道了在1450℃-1900℃，10atm氮气压力条件下，进行Si₃N₄陶瓷烧结的研究，这是最早的气压烧结氮化硅陶瓷方法。

上述关于氮化硅陶瓷的多种烧结工艺是几代陶瓷科研人员为解决氮化硅陶瓷不同的工程应用不懈努力的成功结果。近来陆续发展的放电等离子体烧结和微波烧结等新技术给氮化硅应用又开拓了新的途径。

就应用来看，无论是从飞入太空的火箭到在公路上飞驰的汽车，还是从无坚不摧的刀具到坚硬的人造骨骼，氮化硅陶瓷已经成为工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料，是代表现代材料科学发展的主要方向之一

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