氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的研究與應(yīng)用進(jìn)展

楊亮亮，謝志鵬,，李 雙，宋 明

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.清華大學(xué)材料學(xué)院，新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的研究與應(yīng)用進(jìn)展

楊亮亮1，謝志鵬1,2，李 雙2，宋 明1

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.清華大學(xué)材料學(xué)院，新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度高硬度、耐磨、損耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料。氣壓法燒結(jié)氮化硅能夠提高燒結(jié)溫度從而促進(jìn)氮化硅陶瓷的致密化，而且適于燒制異形件。因此，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的重要燒結(jié)技術(shù)。本文論述了氮化硅陶瓷氣壓燒結(jié)的基本原理、工藝要求及燒結(jié)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷在陶瓷軸承、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

氮化硅；氣壓燒結(jié)；燒結(jié)助劑；二步燒結(jié)法

0 引 言

Si3N4是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕以及高熱導(dǎo)等獨(dú)特的優(yōu)異性能，在國(guó)防、能源、航空航天、機(jī)械、石化、冶金、電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但Si3N4是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其擴(kuò)散系數(shù)低、引起致密化的體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散速度小、燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力小，因此難以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。要制備高強(qiáng)度、高密度氮化硅陶瓷，通常采用MgO，Y2O3，Al2O3，La2O3等作為助燒劑，助燒劑在高溫下形成液相促進(jìn)氮化硅的溶解、析出從而實(shí)現(xiàn)氮化硅的燒結(jié)。但Si3N4的燒結(jié)存在致密化和熱分解這一矛盾，Si3N4在高溫環(huán)境下易升華分解，常壓燒結(jié)須采用埋粉方法燒結(jié)，溫度一般控制在1750 ℃以下，而且需要添加大量助燒劑以形成液相燒結(jié)，但冷卻后形成的晶界玻璃相使材料的高溫性能劣化[1]。因此，工業(yè)上為了獲得致密的氮化硅燒結(jié)體，人們更親睞于氣壓燒結(jié)法。氣壓燒結(jié)是指提高氮?dú)鈮毫?一般是1-10 MPa)，抑制Si3N4的熱分解以提高燒結(jié)溫度(1800-1900℃)，便于形成耐火度高的晶間玻璃相等，從而制備性能更優(yōu)的Si3N4陶瓷。

1 氣壓燒結(jié)簡(jiǎn)述

氣壓燒結(jié)(Gas Pressure Sintering，簡(jiǎn)寫(xiě)為GPS)是指將陶瓷素坯在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，施加一定的氣體壓力，通常為N2氣，壓力范圍在1-10MPa，以便抑制在高溫下陶瓷材料的分解和失重，從而可提高燒結(jié)溫度，進(jìn)一步促進(jìn)材料的致密化，獲得高密度的陶瓷制品。1976年，日本的M.MITOMO[2]最早報(bào)道了采用氣壓燒結(jié)方法進(jìn)行Si3N4陶瓷燒結(jié)的研究。結(jié)果表明，提高N2壓力同時(shí)采用埋粉技術(shù)，可以獲得最佳的燒結(jié)結(jié)果。隨后發(fā)展了二步及多步氣壓燒結(jié)法，在2-8 MPa氮?dú)鈮毫?800-2000 ℃的高溫下成功地?zé)Y(jié)了氮化硅陶瓷渦輪增壓器轉(zhuǎn)子，其Weibull模數(shù)達(dá)到16。近三十年來(lái)，氣壓燒結(jié)工藝在日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等國(guó)家都得到較為廣泛的研究，燒結(jié)材料的范圍也不斷擴(kuò)大，在實(shí)際應(yīng)用上也取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)已成為高性能陶瓷材料一種重要燒結(jié)技術(shù)。

氣壓燒結(jié)過(guò)程中，施加的氣體壓力主要是抑制Si3N4或其它氮化物類高溫材料的熱分解。因?yàn)镾i3N4在0.1 MPa的N2壓力下(即常壓)，在1750 ℃以上就開(kāi)始產(chǎn)生分解，這在很大程度上限制了高熔點(diǎn)燒結(jié)助劑的使用。當(dāng)N2壓力提高時(shí)(1-10 MPa)，Si3N4的分解溫度可提高到2100-2390 ℃[3]，顯然這對(duì)燒結(jié)助劑和燒結(jié)溫度的選擇都是極其有利的。氣壓燒結(jié)工藝最大的優(yōu)勢(shì)是可以以較低的成本制備性能較好，形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。比如Si3N4陶瓷軸承球的制備現(xiàn)主要采用氣壓燒結(jié)技術(shù)。而熱壓燒結(jié)通常只能生產(chǎn)簡(jiǎn)單形狀的產(chǎn)品，熱等靜壓燒結(jié)雖然可制備復(fù)雜形狀陶瓷部件，而且效果好，但其設(shè)備昂貴，使用和維護(hù)的費(fèi)用也很高。因此許多高性能Si3N4陶瓷制品采用氣壓燒結(jié)是非常經(jīng)濟(jì)和有效的。氣壓燒結(jié)工藝可制備助燒劑含量低、晶界玻璃相少、高溫性能良好的Si3N4陶瓷材料。

2 氣壓燒結(jié)的工藝與原理

2.1 Si3N4粉末的基本要求

氮化硅是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其自擴(kuò)散系數(shù)很小，產(chǎn)生致密化的體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散速率也很小。同時(shí)它的晶界能γgb與粉末表面能γSN的比值比離子鍵化合物和金屬要大得多，使得燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力Δv較小。所以氣壓燒結(jié)致密氮化硅，對(duì)原料粉末有一定的要求[4]。

2.1.1亞微米級(jí)超細(xì)粉

Si3N4粉末初始粒徑應(yīng)為亞微米級(jí)0.5μm左右，比表面積10 m2/g左右，粉末顆粒具有“自形”晶和良好燒結(jié)活性。例如采用硅亞胺熱解所得的Si3N4細(xì)粉，這類粉末表面能高、團(tuán)聚少、燒結(jié)過(guò)程驅(qū)動(dòng)力大[5-7]。

2.1.2 高α相含量

通常認(rèn)為α-Si3N4屬低溫穩(wěn)定晶型，β-Si3N4是高溫穩(wěn)定晶型。α-Si3N4→β-Si3N4的相變屬結(jié)構(gòu)重建型，大約在1420℃。這類相變通常是在與高溫液相接觸時(shí)發(fā)生，不穩(wěn)定的具有較大溶解度的α相溶解，然后折出溶解度低、較穩(wěn)定的β相。這是一個(gè)高溫轉(zhuǎn)變不可逆過(guò)程[8,9]。長(zhǎng)柱狀(或稱針狀) β-Si3N4晶相可明顯提高Si3N4陶瓷力學(xué)性能。

一般要求α- Si3N4含量最好大于95%，以便在燒結(jié)過(guò)程有足夠的α相發(fā)生溶解－沉淀轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)柱狀的β-Si3N4，具有高體積分?jǐn)?shù)和高長(zhǎng)徑比的長(zhǎng)柱狀β- Si3N4顯微結(jié)構(gòu)的Si3N4陶瓷可獲得高強(qiáng)度和斷裂韌性[9,10]。圖1示出了用高α-Si3N4相粉末燒結(jié)的過(guò)程，燒結(jié)后這種交錯(cuò)排列的柱狀Si3N4，能夠使裂紋擴(kuò)展途徑變得曲折不平而消耗更多的能量，因而可以大大提高材料的斷裂韌性[11]。

圖1 用 α-Si3N4粉末制備氮化硅Fig.1 Scheme showing production of Si3N4ceramics using α-Si3N4 powder

2.2 助燒劑的選擇及作用

Si3N4在1700 ℃左右就會(huì)發(fā)生分解與蒸發(fā)，因此純Si3N4無(wú)法靠固相燒結(jié)達(dá)到致密化，必須加入少量燒結(jié)添加劑，通過(guò)添加劑與氮化硅粉末表面形成的SiO2層反應(yīng)形成液相來(lái)實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)[12]。研究發(fā)現(xiàn)在添加MgO和Y2O3兩種助燒劑情況下，α→β相變的活化能是相同的，都接近于Si-N鍵離解能，即435±38 kJ·mol-1。因此，其相變機(jī)理似乎相同，添加劑都是為使Si-N鍵斷裂的重建型相變提供溶劑[5]。大量研究表明，采用兩種或兩種以上添加劑構(gòu)成的復(fù)合助燒劑，可改善液相粘度，提高晶間相的軟化溫度和高溫性能[3]。

人們對(duì)其它各種稀土氧化物及復(fù)合添加劑進(jìn)行了大量研究。Horng-Hwa Lu[13]等人對(duì)Yb2O3添加劑的氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)的研究指出，Yb2O3有利于長(zhǎng)柱狀氮化硅晶粒的生長(zhǎng)，且隨著Yb2O3添加量的增加氮化硅晶粒表現(xiàn)粗化現(xiàn)象。戴金輝[14]研究表明，當(dāng)以CeO2、Nd2O3、Sm2O3、Er2O3、Yb2O3為添加劑時(shí)，可以得到具有較高性能的氮化硅陶瓷，特別是高溫強(qiáng)度較為優(yōu)異。陳源和黃莉萍[15]等對(duì)La2O3-Y2O3，La2O3-Y2O3-Al2O3等燒結(jié)助劑研究表明，采用Y2O3和La2O3添加劑的Si3N4試樣形成的Y-La-Si-O-N玻璃晶界相，與Y-Al-Si-O-N，Mg-Al-Si-O-N等晶界相比較，具有高的耐火度和粘度，具有卓越的高溫抗彎強(qiáng)度，從室溫至1370 ℃其抗彎強(qiáng)度保持在1000 MPa。Si3N4陶瓷燒結(jié)所用的一些常用添加劑見(jiàn)表1[16,17]。

2.3 Si3N4的高溫分解與N2壓力作用

Si3N4沒(méi)有熔點(diǎn)，大約在1860 ℃直接升華分解為氣態(tài)Si和N2，不同溫度下Si3N4分解與N2和Si分壓的平衡關(guān)系如圖2所示，從右下到左上的實(shí)線是等溫線，從左下到右上的粗實(shí)線是液態(tài)Si(L)-Si3N4-N2氣三相共存邊界線，它在圖中的位置由所處不同溫度時(shí)，下面的反應(yīng)所決定：

表1 Si3N4陶瓷燒結(jié)常用的一些添加劑Tab.1 Some of the commonly used additives for sintering Si3N4ceramics

(2)式表示液態(tài)Si(L)的Si蒸氣平衡壓力，由(1)和(2)式可獲得這兩個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)K與溫度T的關(guān)系由下式(3)給出：

因此若已知在一定溫度下的Si分壓和N2分壓(或ΔGf和ΔGv)數(shù)據(jù)后，可以求出K。由上述討論可知，增加燒結(jié)體系中的N2分壓，就可以減小PSi，使之小于與液態(tài)平衡的蒸汽壓，從而可抑制Si3N4的分解；這樣就可以添加少量燒結(jié)助劑，在較高的燒結(jié)溫度區(qū)域內(nèi)(如圖2中陰影部分)燒結(jié)，而不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的分解與失重。M.Mitomo[2]研究了Si3N4(含5wt.%MgO)在1450-1900 ℃溫度范圍內(nèi)和10atm 的N2壓力下、Si3N4材料的致密化及高溫分解失重的關(guān)系，并與G.R.Terwilliger等人在0.1 MPa的N2壓力下的致密化和失重進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

由圖3(a)可知，在10 atm的N2氣壓下，1450-1900 ℃，保溫30 min得到的致密化曲線，在1800 ℃時(shí)可達(dá)到理論密度的93%；而在1 atm的N2氣壓下燒結(jié)最高相對(duì)密度僅為78%，從與之相對(duì)應(yīng)的分解失重曲線(見(jiàn)圖3(b))可看到，在1600 ℃下10 atm時(shí)的失重約為1.5wt.%，但在1 atm時(shí)失重可達(dá)13wt.%。顯然，高的N2壓力對(duì)于抑制該Si3N4體系的分解是十分顯著的。

圖2 Si3N4-Si-N2平衡圖Fig.2 Si3N4- Si - N2equilibrium diagram

圖3 Si3N4（5wt.%MgO）致密度和分解失重隨溫度和N2氣氛壓力的變化(a) 致密度隨溫度和N2氣氛壓力的變化 (b) 分解失重隨溫度和N2氣氛壓力的變化Fig.3 . Variation of Si3N4(5wt.%MgO) density and decomposition weight loss with temperature and atmosphere pressure N2(a) induced changes in density with temperature and atmosphere pressure N2; (b) decomposition changes with temperature and atmosphere pressure N2

2.4 二步和多步氣壓燒結(jié)法

關(guān)于高壓氮?dú)鈱?duì)氮化硅燒結(jié)行為的影響已有很多研究報(bào)道，二步氣壓燒結(jié)法最早由G.Reskovich[18]提出，其基本思想是首先在較低的氣氛壓力下(0.1-2 MPa)，將坯體燒結(jié)至孤立封閉氣孔；然后在較高的氣壓(6-10 MPa)和溫度下進(jìn)行二次燒結(jié)，進(jìn)一步排除閉氣孔，促進(jìn)材料的致密化。

其燒結(jié)基體是先在低壓氮?dú)鈿夥罩袑⑻沾膳黧w燒至氣孔完全閉合(約92%-95%理論密度),然后加大氮?dú)鈮毫?進(jìn)一步致密燒結(jié),故該法又稱兩步氣壓燒結(jié)法。在燒結(jié)過(guò)程中,網(wǎng)狀連續(xù)的孔洞分離成離散的、閉合的球形孔洞。Ziegler[19]導(dǎo)出在不考慮氣孔中氣體溶入基體的情況下,最終達(dá)平衡時(shí)，單個(gè)氣孔的尺寸如式(4)所以：

式(4)中，re為最終平衡孔徑，r0、P0分別為氣孔燒至閉合時(shí)的孔徑和孔中氣壓，Pa為第二步所加氮?dú)鈮海瑸闅饪捉缑婺堋?/p>

從致密化過(guò)程分析，在燒結(jié)初始階段Si3N4坯體的密度較低，坯體內(nèi)形成連通的開(kāi)口氣孔，從(4)式中可以看到，降低 P0值，即在第一步中盡可能以較低的氮?dú)鈮菏共牧现袣饪谉灵]合,或盡可能提高第二步所加氮?dú)鈮海蓽p小氣孔尺寸，并提高燒結(jié)密度。若在第一步中形成孤立封閉氣孔時(shí)，外加氣氛壓力過(guò)高，會(huì)造成 P0較高，加上N2為惰性氣體難以溶解，此種情況下若采用一步燒結(jié)，則封閉氣孔難以排除或進(jìn)一步收縮。

Mulfinger[20]研究認(rèn)為氮能夠以物理或化學(xué)方式溶入玻璃熔體中，氮的溶解度取決于溫度和玻璃組成及氮?dú)鈮毫Γ秽w鳳英等人[21]研究表明，在1900 ℃，1-6MPa條件下氣壓燒結(jié)GPS-RBSN試樣，隨壓力的增加，晶粒粗化，抗彎強(qiáng)度隨之增強(qiáng)；當(dāng)氣壓提高至6-9 MPa時(shí)，其燒結(jié)試樣密度反而降低，認(rèn)為可能是在高N2壓力下，氣孔中氣體排出受阻所致。

此外，Mitomo[22]研究發(fā)現(xiàn)，Si3N4在10 atm的N2氣壓燒結(jié)過(guò)程中的收縮及致密化速率曲線與常壓(1 atm、N2)燒結(jié)是不同，見(jiàn)圖4所示。在GPS燒結(jié)曲線中出現(xiàn)了三個(gè)致密化峰，對(duì)應(yīng)的燒結(jié)溫度分別為1400 ℃、1700 ℃和1900 ℃，而無(wú)壓燒結(jié)只有兩個(gè)致密化峰。一般認(rèn)為第一個(gè)峰是顆粒重排引起的，第二個(gè)峰是Si3N4在液相燒結(jié)過(guò)程中的溶解-淀析引起。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氣壓燒結(jié)的第三個(gè)致密化峰，當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1950 ℃時(shí)，這一過(guò)程對(duì)致密化作用增大，而當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1980 ℃，其作用減小。

G.Reskovich[18]研究Si3N4(7wt.%BeSiN2和SiO2為添加劑)氣壓燒結(jié)時(shí)也發(fā)現(xiàn)若采用恒定氣壓的一步燒結(jié)(N2壓力分別為2.1 MPa、3.6 MPa、7.1 MPa)，其相對(duì)密度很難達(dá)到95%以上，如圖4和圖5所示，隨著氮?dú)鈮毫Φ脑黾樱瑹Y(jié)密度反而下降。這是由于氣孔排除驅(qū)動(dòng)力被包陷的高壓氮?dú)獾窒木壒省榇颂岢隽硕綒夥諌毫Y(jié)新工藝。

彭剛，江堯忠[23]對(duì)常用的Si3N4-Y2O3-Al2O3體系，90wt.%Si3N4+10wt.%(Y2O3+Al2O3)，進(jìn)行氣氛壓力燒結(jié)。在合理的燒結(jié)制度下，得到相對(duì)密度為99.3%，室溫抗彎強(qiáng)度為813 MPa的高性能Si3N4陶瓷材料，并與Si3N4的無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行對(duì)比。從表2看到，氣氛壓力燒結(jié)可以提高燒結(jié)溫度，減少助燒劑的含量。

隨著二步氣壓燒結(jié)法的進(jìn)一步發(fā)展，采用多步氣壓燒結(jié)法燒結(jié)氮化硅，在一定的條件下能更好的燒出相關(guān)產(chǎn)品，多步氣壓燒結(jié)法也在國(guó)內(nèi)外得到了應(yīng)用并取的一定的成效。

圖4 Si3N4燒結(jié)過(guò)程中收縮及致密化速率隨溫度的變化Fig.4 Rate of shrinkage and densifcation in Si3N4sintering process with the change of temperature

圖5 不同氣壓燒結(jié)條件下相對(duì)密度隨溫度變化(保溫15 min)Fig.5 Variation of relative density with temperature under different gas pressure sintering conditions (holding time 15 min)

3 氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的應(yīng)用

氮化硅陶瓷最初應(yīng)用是上世紀(jì)50年代在英國(guó)開(kāi)展的，在70年代由美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局投資1700萬(wàn)美元給福特汽車公司和西屋電氣公司，用于驗(yàn)證脆性材料在高溫發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，才激發(fā)了世界范圍內(nèi)對(duì)氮化硅陶瓷的研究興趣[24]，各國(guó)紛紛投入研究，在上世紀(jì)70-90年代集中發(fā)表了大量的有關(guān)氮化硅的研究成果。我國(guó)也于上世紀(jì)70年代先后在清華大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、上海材料研究所，北京科技大學(xué)，北京中材人工晶體研究院有限公司等單位開(kāi)展了氮化硅陶瓷的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并取的一定的成果。

表2 Si3N4的氣壓和無(wú)壓燒結(jié)對(duì)比Tab.2 Contrast between gas-pressure-sintered and pressureless sintered Si3N4

3.1 氮化硅陶瓷軸承

陶瓷軸承從1972年研制成以來(lái)，得到迅速發(fā)展。已在精密機(jī)床，汽車，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，化工儀器，超導(dǎo)裝置等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。作為軸承材料考慮，最基本的特性是滾動(dòng)疲勞壽命，為評(píng)價(jià)各種陶瓷軸承的適用性，用陶瓷平板進(jìn)行滾動(dòng)壽命試驗(yàn)，其滾動(dòng)壽命排序結(jié)果為：氧化鋁＜碳化硅＜氧化鋯＜氮化硅。由此可見(jiàn)，在上述四種常見(jiàn)工程結(jié)構(gòu)陶瓷中，Si3N4最適合用作軸承材料。

氮化硅陶瓷軸承主要有混合式陶瓷軸承和全陶瓷軸承兩種。對(duì)于混合式陶瓷軸承，作為滾動(dòng)體的球或柱用陶瓷材料做成，而內(nèi)外圈仍用軸承鋼；或滾動(dòng)體與內(nèi)圈均用陶瓷材料，而外圈仍用軸承鋼制造。而全陶瓷軸承則是滾動(dòng)體與內(nèi)外圈均用陶瓷制造。目前國(guó)際上發(fā)展應(yīng)用的高速陶瓷軸承主要是混合型。

北京中材人工晶體研究院有限公司研制的一種高可靠性大尺寸氮化硅陶瓷材料，陶瓷球的直徑可達(dá)40-105 mm,密度大于99%,強(qiáng)度為800～1000 MPa,斷裂韌性為8～10 MPa·m1/2，硬度大于17 GPa。其性能指標(biāo)與現(xiàn)有的氣壓燒結(jié)工藝制備的大尺寸氮化硅產(chǎn)品相比有大幅度提高,基本可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)大尺寸軸承球的需要；以相對(duì)較低生產(chǎn)成本就可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

3.2 航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域里，對(duì)材料性能的要求十分苛刻，挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)材料的極限。氮化硅因具有高溫強(qiáng)度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強(qiáng)度、出色耐熱沖擊性和摩擦學(xué)性能，應(yīng)用于航空航天是一個(gè)很好的選擇，能確保優(yōu)異的機(jī)械可靠性和耐磨性。可用于控制衛(wèi)星軌道的火箭燃燒室推進(jìn)器，對(duì)材料要求很苛刻。由于高溫燃燒能夠獲得更大的推進(jìn)力，所以不但要求其材料質(zhì)輕，且能夠承受高溫。日本京瓷公司研制的氮化硅火箭燃燒室高溫陶瓷推進(jìn)器(尾噴管)具有輕質(zhì)且能夠承受高溫氣體燃燒的優(yōu)勢(shì)(1300 ℃以上)，可在其他材料無(wú)法適用的環(huán)境下應(yīng)用，從而取代了鈮合金等，如圖6所示。

20世紀(jì)90年代初以來(lái)，Ceradyne(賽瑞丹)公司生產(chǎn)的Ceralloy氮化硅在商業(yè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了應(yīng)用，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)中，氮化硅也可作為軸承，套管和耐磨部件。這些部件可以在極少潤(rùn)滑的環(huán)境下無(wú)磨損應(yīng)用。之后Ceradyne公司成功研制出優(yōu)良的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器，導(dǎo)彈雷達(dá)天線罩，密封環(huán)，耐磨板等部件。在現(xiàn)今工業(yè)市場(chǎng)中，氮化硅能滿足應(yīng)用中的苛刻要求，在許多場(chǎng)合取代了不銹鋼，超級(jí)合金，鎢碳化物等材料，是領(lǐng)先的技術(shù)陶瓷材料。

3.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件

表3 Si3N4發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的應(yīng)用Tab.3 Silicon nitride materials for engine applications

圖9 Si3N4陶瓷工業(yè)產(chǎn)品及應(yīng)用 (a) Si3N4螺旋彈簧等；(b)Si3N4置換的人體關(guān)節(jié)與脊柱；(c)軸承球、環(huán)，刀具等 (d)Si3N4渦輪Fig.9 Industrial Si3N4ceramic products and their applications

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的Si3N4陶瓷部件包括：增壓器渦輪轉(zhuǎn)子，預(yù)熱燃燒室，搖臂鑲塊，噴射器連桿，氣門(mén)導(dǎo)管，陶瓷活塞頂，電熱塞等，尤其是難度最大的陶瓷轉(zhuǎn)子產(chǎn)品已進(jìn)入某些陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，小型渦輪轉(zhuǎn)子已進(jìn)入商業(yè)化小規(guī)模生產(chǎn)，見(jiàn)表3。

3.4 其他領(lǐng)域應(yīng)用

Si3N4陶瓷由于具有優(yōu)良的耐高溫，耐腐蝕等性能，可用于化工耐腐蝕耐磨部件，半導(dǎo)體工業(yè)，包括國(guó)防工業(yè)用導(dǎo)彈天線罩，生物醫(yī)療用陶瓷材料，車用Si3N4陶瓷電熱元件，核電主泵用作密封環(huán)，多晶硅還原爐用氮化硅陶瓷環(huán)，隔熱盤(pán)罩，新開(kāi)發(fā)的Si3N4陶瓷螺旋彈簧，不僅在1000 ℃溫度下可保持高強(qiáng)度，而且具有極強(qiáng)的耐腐蝕性，用于特殊閥門(mén)中, Si3N4陶瓷產(chǎn)品及一些相關(guān)應(yīng)用如圖9[25-27]。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的優(yōu)異性越來(lái)越突出，其產(chǎn)品對(duì)于現(xiàn)代工程技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等工作環(huán)境，具有特殊的使用價(jià)值。并在許多領(lǐng)域內(nèi)有著潛在的用途。但其固有的脆性和較高的制備成本還是一定程度限制了Si3N4陶瓷的應(yīng)用。因此，今后仍需要按照實(shí)際使用環(huán)境的要求，來(lái)設(shè)計(jì)Si3N4陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能，優(yōu)化Si3N4陶瓷的制備工藝；并在降低制作成本，提高其可靠性和強(qiáng)度韌性方面，做出進(jìn)一步的努力。

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Progress in Research and Application of Gas-Pressure-Sintered Silicon Nitride Ceramics

YANG Liangliang1, XIE Zhipeng1,2, LI Shuang2, SONG Ming1
(1. Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2. State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing, Department of Materials, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)

Silicon nitride is an attractive structural material with high strength, high hardness, excellent wear and corrosion resistance. The gas pressure sintering method for silicon nitride ceramics can increase the sintering temperature and thus promote the densifcation; also it is suitable for the specimens with complicated shapes. Thus, the gas pressing sintering method is an economical and practical method for preparing silicon nitride ceramics. This paper reviewed the fundamental principle and technical procedures of gas pressure sintering. Then, the application of silicon nitride in the bearing, aerospace and other felds was summarized.

silicon nitride; gas pressure sintering; sintering aids; two-step sintering method

TQ174.75

A

1000-2278(2014)05-0457-08

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.05.001

2014-05-27。

2014-06-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51232004)。

謝志鵬(1957-)，男，博士，教授。

Received date: 2014-05-27. Revised date: 2014-06-18.

Correspondent author:XIE Zhipeng(1957-), male, Ph.D., Professor.

E-mail:xzp@mail.tsinghua.edu.cn