文档介绍：Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
氮化硅陶瓷材料
摘要 氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震晶胞内含有6个Si原子，8个N原子。第一层平面上有3个Si原子如
●所示，4个N原予如▲所示，在第二层平面上的Si为O，N为△。第三层(属另一晶胞)与第一层相对应，亦即在C轴方向上两层重复排列。
由于α—Si3N4在高温下转变成β一Si3N4，因而人们曾认为α和β相分别为低温和高温两种晶型。但随着研究的深入，很多现象不能用高低温型的说法解释。最明显的例子是在低于相变温度的反应烧Si3N4中，α和β可熊同时出现，反应终了β相占10％～40％(质量)。又如在SiCl4一NH3-H2系中加入少量的TiCl4，1350℃～1450℃可直接制备出β—Si3N4，若该系在1150℃生成沉淀，然后于Ar气中1400℃热处理6h，得到的仅是α一Si3N4。看来该系的β一Si3N4不是由a相转变过来的，而是直接生成的。
现在研究证明111，α—β相交是重建式的(不可逆)转变，并认为α相和β相除了在结构上有对称性高低的差别外，并没有高低温之分，β相只不过在温度上是热力学稳定的，α相对称性低容易形成。在高温下α相发生重建式转变转化为β相，某些杂质的存在有利于α—β相的转变。
表1-1列出了两个相的基本参数，可以看出，α相和β相的晶格常数α相差不大，而α相的晶格常数c约为β相的两倍。这两个相的密度几乎相等，所以在相变过程中不会引起体积的变化。它们的平均膨胀系数较低，β相的硬度比α相高得多，同时β相呈长柱状晶体，有利于材料力学性能的提高，因此要求材料中β相含量尽可能高。
氮化硅的基本性能
Si3N4的基本物理性能
在常压下，si3N4没有熔点，于1870℃左右直接分解。氮化硅的热膨胀系数低，在陶瓷材料中除Si02(石英)外，Si3N4的热膨胀系数几乎是最低的，为2．35×10。6／K，约为A1203的1／3。它的导热系数大，为18．4W／(m·K)，同时具有高强度，因此其抗热震性十分优良，仅次于石英和微晶玻璃，热疲劳性能也很好。室温电阻率为1．1x10“Q·cm，900。C时为5．7×106Q·cm，介电常数为8．3，介电损耗为0．001--0．1。
2． Si3N4的化学性能
Si3N4的化学稳定性很好，除不耐氢***酸和浓NaOH侵蚀外，能耐所有的无机酸和某些碱溶液、熔融碱和盐的腐蚀。氮化硅在正常铸造温度下对很多金属(例如铝、铅、锡、锌、黄铜、镍等)、所有轻合金熔体，特别是非铁金属熔体是稳定的，不受浸润或腐蚀。对于铸铁或碳钢只要被完全浸没在熔融金属中，抗腐蚀性能也较好。氮化硅具有优良的抗氧化性，抗氧化温度可高达
1400℃，在1400℃以下的干燥氧化气氛中保持稳定，使用温度一般可高达1300℃，而在中性或还原气氛中甚至可成功的应用到1800℃。在200℃的潮湿空气或800℃干燥空气中，氮化硅与氧反应形成Si02的表面保护膜，阻碍si3N4的继续氧化。
陶瓷的机械性能
氮化硅陶瓷具有较高的室温弯曲强度，断裂韧性值处于中上游水平，比如热压Si3N4强度可达1000MPa以上，断裂韧性约为6MPa·m1/2，重烧结氮化硅性能亦已达与之相近的水平。si3N4陶瓷的高温强度很好，1200℃高温强度与室温强度相比衰减不大，另外，它的高温蠕变率很低。这些都是由si3N4。的强共价键本质所决定的。氮化硅的高温力学性能在很大程度上取决于晶界玻璃相。为了改善氮化硅的烧结性能在原料中加入烧结助剂，高温时烧结助剂形成玻璃相，冷却后玻璃相存在于晶界处，必须经过品界工程处理才能保持和发挥氮化硅的这一高温特性，否则晶界玻璃相在高温下软化造成晶界滑移，对高温强度、蠕变和静态疲劳中的缓慢裂纹扩展都有很大的影响。晶界滑移速度同玻璃相的性质(如粘度等)、数量及分布有关。
氮化硅的硬度高，Hv=18 GPa～21 Gpa，HRA=91～93，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料。摩擦系数小(O．1)，有自润滑性，与加油的金属表面相似(0．1--0．2)。
几种Si3N4陶瓷的典型性能参见表1-2。
表1-2 Si3N4陶瓷的典型性能
Tablel-2 The type properties ofSi3N4 ceramic
性能
温度℃
热压烧结
反应烧结
无压烧结
四点弯曲强度(MPa)
RT
1200
900～1200
250～350
700～800
断裂韧性（2）
RT
5～7
3～4
5～6
韦伯模数（m）
RT
15～20
15～20