• 用途用作热电偶管、熔融金属的干货以及火箭喷嘴。
• 制造：通过在1100-1450℃的温度范围内对硅粉末压实体进行氮化形成的，后来被称为反应键合硅氮化物（RBSN）
• 优点：氮化过程中几乎没有或没有收缩。
• 缺点：RBSN用于发动机应用的一个主要障碍是其有限的机械强度（~200-250 MPa），原因是存在20-30%的微气孔率的结果。
硅氮化物的自扩散性相当低，原子种类只有在硅氮化物开始分解的温度（>1850℃）才足够活跃以致密化
• 氧化镁添加剂：针对机械强度有限，开发了使用氧化镁添加剂，通过在1850℃下23 MPa的热压，制造出了全密度材料，RBSN强度大大提高。使用氧化镁，通过在1850℃下23 MPa的热压，制造出了全密度材料，强度大大提高了RBSN。
20世纪80年代的进一步研发导致了氮化硅基材料的许多工业应用的发展，为制造不同类型的氮化硅铺平了道路——反应结合氮化硅（RBSN）、热压氮化硅（HPSN） 、烧结反应结合氮化硅（SRBSN）、烧结氮化硅（SSN）、分压烧结氮化硅（PSSN）和热等静压氮化硅（HIPSN）。这些制造方法决定了氮化硅的性能和应用，从而具有很大的灵活性和定制性，可以精确地创建应用所需的材料。
氮化硅主要存在两种晶型 α和β，都是六方的，其中α相的c尺寸大约是β的两倍。一个完整的结构确定将β硅氮化物分配到空间群P63/m。该结构基于菲那硅石型，Be2SiO4，其中氧原子被氮替代，铍原子被硅替代。键合导致一个由SiN4四面体（略微扭曲）组成的框架，通过共享氮角连接，使得每个氮都是三个四面体的共用。β结构由交替的Si和N原子的凹凸环组成，如图1(a)所示；这些环可以被视为具有ABAB堆叠序列的层，并在c方向形成长的连续通道。
α硅氮化物结构的空间群为P31c。在β中，原子层沿[001]方向以ABAB序列连接，而α结构具有ABCDABCD序列。CD层，如图1(b)所示，与AB层相似，只是它在c轴上旋转了180℃。因此，β（ABAB）形式中看到的长连续通道被封闭成两个大的空隙。硅氮化物中的α——>β转变需要晶格重构。这种类型的过程通常只发生在转变材料与溶剂接触时。更不稳定的形式的更大的溶解度使其溶解，然后沉淀为更不溶解、更稳定的形式。主要用α硅氮化物粉末制造致密硅氮化物陶瓷，在烧结过程中，当原始的α相与金属-硅氧氮化物液相接触时，观察到它转变为β修饰，温度超过1400ºC。
图1 β-和α-氮化硅，从c轴投影到ab平面图
每个硅氮化物的粉末颗粒都被一层硅酸盐表面层包围。硅氮化物的氧化物添加剂与这种硅酸盐和一些氮化物本身在烧结温度下反应，形成一个氧氮化物液体，通过溶解-沉淀促进致密化。α- Si3N4在液体中溶解，并沉淀为β-Si3N4，它在纵向方向上以棱柱状六角棒状晶体的形式生长，最终相互冲击形成一个互锁的微观结构。液体以一个通常是玻璃的晶间相冷却；根据以下化学式变化
α-Si3N4 + SiO2 + MxOy→β-Si3N4 + M-Si-O-N phase
开始，MgO或Y2O3这样的添加剂被用来烧结硅氮化物，随后，混合氧化物添加剂如Y2O3 + Al2O3和各种稀土氧化物被探索用来通过修改晶界相的性质来发展特定的微观结构。图2是一个硅氮化物的扫描电子显微镜图，它用Y2O3 + Al2O3致密化，并显示了被Y-Si-Al-O-N玻璃相包围的细长的棒状β-硅氮化物晶粒。
图2 Y2O3 + Al2O3烧结氮化硅结合图
氮化硅铝是基于硅氮化物结构的固溶体。当氧在β-Si6N8结构中替代氮，同时，硅被铝替代以保持电荷中性时，形成β-氮化硅铝（β’）。相组成是：Si6-zAlzOzN8-z，保持3:4的金属:非金属比例，z值在0-4.2的范围内.
图3 1750℃下，Si-Al-O-N 相图
图3显示了在1750℃下的Si-Al-O-N行为图。该图显示，通过使用硅氮化物粉末及其表面硅酸盐加上AlN多型体之一（8H，15R等），形成了一个单相的β-SiAlON，z = 1。单相形式仍然需要一个如Y2O3的烧结添加剂来致密化陶瓷，但是随着Al和O被取入固溶体，剩下的玻璃较少。D’-氮化硅铝基于α-Si12N16单元格，一般组成：
MxSi12-(m+n)Al(m+n)On N(16-n)
其中x (<2)由M离子（M = Li，Ca，Mg，Y和各种镧系离子）的价态决定。同样，Y2O3经常被用来提供M3+= Y3+以稳定α’并作为致密化助剂。
与硅氮化物陶瓷的情况不同，α’到β’的转变是完全可逆的，两个相具有不同的形态。β’相的形态由类似于在β-Si3N4中形成的细长的棱柱状晶粒组成，而α’晶粒倾向于小而等轴。因此，这些材料的机械和热性能可以通过控制α-SiAlON:β-SiAlON比例来控制，这取决于使用的M阳离子。当稀土氧化物被用作烧结助剂时，可以通过热处理程序来控制相组成. 因为α’-相可以容纳稀土金属离子，但β’-氮化硅铝只能容纳Al，所以在α’到β’的转变过程中，稀土离子被排斥到晶间区域，根据以下过程：
α’-SiAlON → β’-SiAlON+ Ln-Si-Al-O-N intergranular glass (3)
由于在α’转化为β’时形成了更多的玻璃，β’-SiAlONs的蠕变抗力和高温强度降低。然而，转变提供了一种通过适当的热处理来优化微观结构和性能的机制。
在硅氮化物和氮化硅铝中，微观结构由棱柱状的β-Si3N4晶粒和晶间玻璃相组成。最初引入的添加剂的数量决定了玻璃相的数量和化学性质，这影响了如断裂韧性、环境和高温强度、蠕变抗力和氧化抗力等性质。因此，理解M-Si-O-N和相关的M-Si-Al-O-N系统中的相平衡，然后将这些知识应用到加工中以开发有益的微观结构是很重要的。
除了控制晶间相的性质外，β-Si3N4晶粒的形态在决定强度和断裂韧性方面也很重要。对于用不同量和比例的Y2O3:Al2O3烧结的硅氮化物，以产生具有相同气孔度和相同晶粒尺寸的陶瓷，β晶粒的断裂韧性和纵横比（长度/直径）都以相同的方式随组成变化，显示出更细长的棒状晶体具有更好的抗裂纹扩展能力。随着晶界组成的变化，β晶粒的纵横比变化，而且随着烧结时间或温度的增加，晶粒粗化也会发生。
如图4所示。晶界厚度和组成是金属氧化物添加剂系统的特征，膜厚度（在0.5-1.5 nm的范围内）强烈依赖于化学组成。
图4 晶界玻璃膜及两氮化硅晶粒间三相点的透射电镜图像
晶界化学也影响界面键合强度。弱界面有利于高韧性，但是非常大的β晶粒的解键可能导致强度的损失。通过仔细控制大小和数量适当分散的大细长晶粒在细晶基体中，可以在自增强硅氮化物中开发出高断裂抗力（>10 MPa.m1/2）和陡峭上升的R曲线以及高断裂强度（>1 GPa）.如果不调节，倾向于形成具有宽晶粒直径分布的微观结构。
使用高Y:Al比例的烧结添加剂处理的晶种硅氮化物，R曲线行为和稳态断裂韧性值的显著改善。与低Y:Al比例的硅氮化物相比，高Y:Al比例的材料在晶界界面上表现出更广泛的解键，导致晶间断裂的增加。减少硅氮化物陶瓷中的Al浓度可能导致更突然的结构/化学界面，并最终通过激活如裂纹偏转和通过界面解键的裂纹桥接等韧化机制实现改善的断裂抗力。
β-Si3N4晶粒的形态对特定添加剂的使用非常敏感，特别是在稀土氧化物的情况下。
理论预测，在稀土添加剂中，La应该具有最强的，而Lu应该具有最弱的优先偏析到晶粒表面。
对承受高性能轴承载荷的几种陶瓷基材料进行的滚动接触疲劳 (RCF) 测试表明，只有完全致密的氮化硅才能优于轴承钢。全致密 Si3N4 轴承材料表明 RCF 的使用寿命是高性能轴承钢的十倍。高速旋转的物体可能会产生显着的离心应力。作为一种低密度材料，氮化硅与铝一样轻。然而，这种特性也给该材料带来了另一个好处。氮化硅的低密度降低了高速旋转体外圈上的离心应力。氮化硅陶瓷的高拉伸强度可以抵抗伸长，并提供出色的弯曲强度，以承受横向应力升高时的屈服或破裂。全致密的 Si3N4 还表现出高断裂韧性和高模量特性，使材料具有优异的耐多种磨损现象的能力。这使其能够承受可能导致其他陶瓷材料产生缺陷、变形或塌陷的严酷操作条件。
目前，氮化硅的主要应用是在汽车行业。该材料广泛用于发动机零件和发动机附件装置，包括用于降低惯性并减少发动机滞后和排放的涡轮增压器、用于更快启动的电热塞、用于提高加速度的废气控制阀以及用于燃气发动机以减少磨损的摇臂垫。对发动机排放的监管限制和较高的燃料成本推动了氮化硅在汽车行业的使用。汽车行业中的每种应用都需要略有不同但严格控制的属性，以便能够满足要求并实现与其他材料相比性能的最大改进。
由于与其他陶瓷相比具有优异的抗冲击性，氮化硅被认为是制造高性能全陶瓷或混合钢陶瓷滚动接触轴承的极有前途的材料。由于其极高的强度、韧性以及对化学和热因素的抵抗力，氮化硅通过延长接触疲劳寿命提供了显着的优势。作为一种低密度材料，氮化硅可以大大降低在燃气涡轮发动机等超高速应用中球接触期间的动态载荷。该材料在极端温度、大温差、超高真空等严酷润滑和磨损条件下以及安全关键应用中也有显着的应用，使该材料能够满足飞机维护操作等特定要求。正如氮化硅轴承在极端环境中的出色性能所证明的那样，氮化硅轴承预计将继续在许多工业应用中获得广泛接受。
在航空航天工业中，传统的材料如金属和复合材料。对能够承受极端条件的新材料的需求，导致了氮化硅在各种航空航天应用中的使用。其机械稳健性和在高温下的性能使其成为替代用于球轴承、雷达罩和RF窗口的传统材料的首选材料。根据特定应用定制氮化硅对于优化其在航空航天工业中的使用是重要的。相对于氮化硅的强度来讲，氮化硅非常轻，使其成为航空航天和其他应用中重量和强度都至关重要的理想选择。
氮化硅的独特电性质使其在微电子应用中的使用越来越多，作为绝缘体和化学屏障，用于集成电路的制造，以保护设备的包装。氮化硅被用作具有高扩散阻隔的钝化层，阻止水和钠离子，这两者都是微电子中腐蚀和不稳定的主要来源。该材料也被用作模拟芯片电容器中多晶硅层之间的电绝缘体。氮化硅还在静电复印过程中被用作光鼓层之一。由于其出色的弹性性质，氮化硅已经成为原子力显微镜悬臂（感测元件）的最接受的材料。
氮化硅的强度、韧性和对热冲击的抗性在焊接技术的发展中起到了重要的作用。这种先进的陶瓷最近在电阻焊接工业中被用作传统钢材组件的替代品，特别是焊接辊。在这些辊中使用氮化硅为焊接设施带来了显著的好处，包括提高效率、延长使用寿命和减少维护。氮化硅的独特性质使其成为那些希望提高焊接设备性能和可靠性的公司的理想选择。
上一篇:砂轮磨削层配方设计
