物料知識

【粉體介紹】氮化矽陶瓷的起源與發展

氮化矽(Si3N4)是一種由矽和氮組成的共價鍵化合物,於1857年被發現,早期有些學者尤其是德國的研究者們並不完全認同其化學組成,後來大量的研究證實了該化學式的正確性,直到現在被廣泛引用。然而,在誕生以後的一百多年時間裡,氮化矽材料一直沒有出現大規模的應用。

陶瓷形式的氮化矽最早是由英國發展出來的。該陶瓷材料於1955年首次生產,主要用於熱電偶管、熔融金屬坩堝和火箭噴嘴。這種類型的材料是將金屬矽粉末壓坯再經升溫和沖入氮氣氮化形成的,後來被稱為反應結合氮化矽。由於這種反應燒結氮化矽一般含有25%左右的氣孔,緻密化程度不夠高,因而未能體現氮化矽材料的高強度和硬度等性能。
 
1960年,Parr、Martin和May等發表了關於反應結合氮化矽性質和結構的綜述,概述了他們所開發的技術,這些技術為後續的氮化矽陶瓷發展提供了很大的技術支撐。
 
1970年代,美國開始了大規模的氮化矽材料開發計畫。美國國防部在1971年開始與福特汽車公司和西屋電氣公司進行五年發展計畫的專案合作。本計畫旨在探討氮化矽取代傳統引擎材料,開發陶瓷燃氣渦輪引擎的可行性。工程早期就意識到,由於熱壓只限於生產簡單形狀的氮化矽,而燃氣渦輪引擎零件都是異形件。除非透過改進氮化矽陶瓷製造工藝,否則無法實現陶瓷材料在引擎方面的應用。
 
1976年Terwilliger和Lange在西屋實驗室偶然發現,氮化矽粉末無需施加機械壓力就可以燒結,在高於正常溫度的條件下對摻雜氧化鎂、氮化矽粉末進行熱壓實驗。當不施加常規壓力時,氮化矽粉末圓筒仍然發生了明顯的收縮。因此,可以認為在石墨模具的有限空間內,氮化矽的蒸發損失得到了抑制,從而能夠發生整體緻密化,這是高密度氮化矽陶瓷發展的重要一步,在這一基礎上發展了無壓燒結氮化矽。
 
在高溫燒結時,氮化矽高溫分解非常顯著,僅靠單純的埋粉已經無法抑制,需要進一步提高製程抑制氮化矽高溫分解,促進燒結體緻密化。於是,便發展了氣壓燒結氮化矽。1976年,日本Mitomo通報了在1450℃-1900℃,10atm氮氣壓力條件下,進行Si3N4陶瓷燒結的研究,這是最早的氣壓燒結氮化矽陶瓷方法。
 
上述關於氮化矽陶瓷的多種燒結製程是幾代陶瓷科研人員為解決氮化矽陶瓷不同的工程應用不懈努力的成功結果。近來陸續發展的放電等離子體燒結和微波燒結等新技術給氮化矽應用又開拓了新的途徑。
 

就應用來看,無論是從飛入太空的火箭到在公路上飛馳的汽車,還是從無堅不摧的刀具到堅硬的人造骨骼,氮化矽陶瓷已成為工業技術特別是尖端技術中不可或缺的關鍵材料,是代表現代材料科學發展的主要方向之一

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