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氮化硅（Si3N4）应用

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作者 : 小编

更新时间 : 2025-04-07 15:15:52

氮化硅（Si₃N₄）开发于 1960 年代和 70 年代，旨在寻找全致密、高强度和高韧性的材料。其发展的主要驱动力是在先进的涡轮机和往复式发动机中用陶瓷取代金属，以提供更高的工作温度和效率。尽管陶瓷发动机的最终目标从未实现，但氮化硅已用于许多工业应用，例如发动机部件、轴承和切削工具。
氮化硅比大多数金属具有更好的高温性能，同时保持高强度和抗蠕变性以及抗氧化性。此外，与大多数陶瓷材料相比，其低热膨胀系数具有良好的抗热震性。
生产
纯氮化硅很难作为完全致密的材料进行生产。这种共价键合材料不易烧结，并且不能加热到 1850^oC 以上，因为它会解离成硅和氮。致密氮化硅只能使用通过间接方法进行键合的方法制成，例如添加少量化学成分以帮助致密化。这些化学品被称为烧结助剂，通常会诱导一定程度的液相烧结。
氮化
硅的类型由于材料特性在很大程度上取决于制造方法，因此不能将氮化硅视为单一材料。氮化硅的三种主要类型是：

反应键合氮化硅（RBSN）
热压氮化硅（HPSN）
烧结氮化硅（SSN）

反应键合氮化硅是通过直接氮化压实的硅粉制成的，由于难以确保完全反应，因此很难实现高组分密度。通常的密度在 2300 - 2700kg.m-3 范围内，而热压和烧结氮化硅的密度为 3200kg.m-3。更高的密度使 HPSN 和 SSN 材料具有更好的物理性能，这意味着它们可用于更苛刻的应用。氮化仅产生很小的体积变化，这意味着 RBSN 组件在制造后不需要加工，并且可以在单个工艺阶段生产复杂的近净形状。

关键属性

应用利用氮化硅的以下特性：

低密度
高温强度
卓越的抗热震性
优异的耐磨性
良好的断裂韧性
机械疲劳和抗蠕变性
良好的抗氧化性

应用
该材料目前用于利基市场应用，例如往复式发动机部件和涡轮增压器、轴承、金属切割和成型工具以及热金属处理。

往复式发动机部件

氮化硅部件的最大市场是用于内燃部件和易损件的往复式（柴油和火花点火）发动机。他们的发展比设想的要困难和复杂。成本因素和大规模生产复杂陶瓷部件的严重技术问题限制了增长，但该材料也遇到了设计保守主义和对陶瓷部件可靠性的担忧。
小型致密烧结氮化硅组件用于汽车和卡车发动机，用于应力和温度相对较低且故障后果不是灾难性的应用。组件示例包括：
柴油发动机

电热塞，可加快启动
预燃室（涡流室）可实现更低的排放、更快的启动和更低的噪音
涡轮增压器（直径约 10 cm），用于减少发动机滞后和排放

火花点火发动机

摇臂垫，磨损更低
涡轮增压器（直径约 5 厘米）可降低惯性并减少发动机滞后
废气控制阀，用于提高加速度。

这些组件大多在日本和美国制造。作为生产水平的例子，估计每年生产 300,000 个烧结氮化硅涡轮增压器。在美国，减排推动了陶瓷部件的发展，部件主要用于中型和重型发动机。在日本，性能的提高一直是主要驱动力，这些部件用于轻型发动机。
现在，开发工作集中在在需要低质量或更高耐磨性的应用中谨慎地引入更多组件，例如排气阀和气门弹簧。

轴承

全致密氮化硅的耐磨性、低摩擦和高刚度提高了高温无润滑滚子轴承和滚珠轴承的性能。与传统的高密度钢和硬质金属轴承相比，HPSN 轴承表现出更长的轴承寿命、更好的速度能力和更强的耐腐蚀性。
绝大多数氮化硅轴承用于 hy-brid 球轴承（带有陶瓷球和钢圈的轴承）。应用包括机床主轴、真空泵以及可消毒和无润滑的牙钻。
所有陶瓷轴承都用于腐蚀、电场或磁场禁止使用金属的应用。例如，在存在海水侵蚀问题的潮汐流量计或电场导引头中。
尽管对可靠性的担忧不再限制氮化硅在轴承中的应用，但在更广泛的应用之前，必须降低其成本。

金属加工

热硬性、断裂韧性和抗热震性意味着烧结氮化硅可以切割铸铁、硬钢和镍基合金，其表面速度比使用碳化钨等传统材料快 25 倍。
现在，基于氮化硅的切削工具被汽车工业大量用于加工铸铁，而航空航天工业则用于镍高温合金的加工。目前氮化硅切削刀具的市场价值约为每年 5000 万美元，但是，由于它不适合加工高硅铝合金，随着汽车行业更广泛地使用铝而不是铸铁块，其未来增长将放缓。

工业应用

在一系列通用工业应用中，可以利用材料特性。在这些情况下，经常使用反应键合氮化硅（RBSN），因为作条件的要求低于上述应用。
应用包括：

非汽车耐磨部件是氮化硅的一个不断增长的市场。例如，在感应加热和电阻焊接等过程中用于定位和传输金属部件的夹具利用了材料的电绝缘性、耐磨性、低导热性和抗热震性。
用于处理熔融铝、锌、锡和铅合金的喷口、喷嘴、热电偶护套和熔化坩埚。对受控金属纯度的要求越来越高，这使得金属部件的使用变得不那么理想。
考虑到材料的强度、电阻和抗热震性，电弧焊喷嘴也是 RBSN 的一个稳定市场
具有低热质量和高抗热震性的专用窑具，用于需要反复热循环的烧制部件，例如牙科瓷器。

未来应用

如果氮化硅要从小众市场转变为主要工业材料，则需要大幅增加使用量。此举需要降低成本，同时改进或至少保持性能和可靠性。发动机技术是可能从未来增长中受益最大的领域，因为降低油耗和减少排放成为越来越强大的驱动力。矛盾的是，这种材料尚未广泛用于燃气涡轮发动机（该材料开发的最初原因），主要是因为中小型涡轮发动机尚未得到广泛应用。

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