中國粉體網(wǎng)訊  你敢想象，氮化硅最初被發(fā)現(xiàn)后，竟然只是被用作“肥料”。人們認為硅與氮結合，然后將氮化硅作為肥料撒在地面上，可以向植物釋放氮氣。

后來，人們意識到氮化硅可能為一種性能優(yōu)異的結構陶瓷材料，接下來的研究證實了這一點。因此，憑借耐高溫、耐磨損、低密度、高強度、高硬度等優(yōu)異性能，氮化硅陶瓷不斷被應用于冶金、宇航、能源、機械、軍事技術、光學和玻璃工業(yè)等各個領域。

于是，氮化硅（陶瓷）材料被認為是一種各方面十分完美的陶瓷材料，人們也毫不吝嗇的賦予了其很多“牛哄哄”的稱號，如“材料世界的全能冠軍”、“綜合性能最好的陶瓷材料”“陶瓷鋼”等等。

01.全能的秘密

氮化硅(Si3N4)是共價鍵程度達70%的強共價化合物，其晶體的基本結構單元是一個硅氮四面體，硅原子位于四面體的中心，氮原子分別位于四面體的頂點。每個氮原子又被3個相互交疊的四面體共用，形成連續(xù)、穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結構。

氮化硅四面體結構單元示意圖

一般認為，氮化硅晶體有3種晶型，分別為六方α晶系、六方β晶系和γ立方晶系。但γ-Si₃N₄只能在高溫高壓的條件下合成，因此，有關氮化硅結構的研究主要集中在α-Si₃N₄和β-Si₃N₄。晶體的性質與其空間結構緊密相連。β-Si₃N₄熱力學性能優(yōu)渥，能夠耐受高于1420℃的高溫，且在高溫下會發(fā)生α構型到β構型的重建式轉變。

氮化硅晶體結構：(a)α-Si₃N₄，(b)β-Si₃N₄，(c)γ-Si₃N₄

Si—N共價鍵具有方向性和飽和性，氮化硅作為共價晶體，原子之間的高結合強度賦予了其良好的硬度和機械強度，其陶瓷產(chǎn)品耐磨損，抗彎抗壓能力強，氮化硅陶瓷磨損失效與金屬相同，是以逐層脫落而非斷裂式損壞。氮化硅密度小，與同體積的鋼鐵、合金鋼、鈦合金等材料相比質量輕得多。由于氮化硅四面體單元構成空間網(wǎng)狀結構，氮化硅的化學穩(wěn)定性強，能夠抵御除氫氟酸外其他無機酸或堿的侵蝕。β-Si3N4致密的層狀晶型排布方式也使得氮化硅具有極強的耐高溫性和抗熱震性。此外，其熱膨脹系數(shù)小，導熱率高，耐氧化溫度高達1300~1400℃，當溫度到達1800℃以上才會發(fā)生分解。

氮化硅還具有良好的抗菌活性和成骨性。高溫燒制的氮化硅材料還會呈現(xiàn)由突出棱狀β-Si₃N₄組成的微粗糙表面，這種特殊的表面結構可以影響細菌交互行為，有良好的抗菌效果，而且增加成骨細胞附著能力，為后續(xù)的成骨分化、骨成長打下基礎。

從性質上看，氮化硅陶瓷性能的確十分全面。當然了，它畢竟是陶瓷材料，在韌性上我們無法苛求其像金屬一般，但其斷裂韌性仍是遠遠高于氮化鋁、氧化鋁等其他陶瓷材料（弱于氧化鋯）。

02.“全能”的表現(xiàn)：氮化硅的應用

1955年，英國的Collin和Gerby采用反應燒結法首次生產(chǎn)出陶瓷形式的氮化硅，此后氮化硅的應用便主要以陶瓷形式展開。陶瓷制品充分發(fā)揮了材料本身良好的熱學、化學和機械性能，拓寬了氮化硅的商業(yè)應用領域，順應了新興技術與高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮，其廣泛被應用在機械工程、半導體電子、生物醫(yī)學、冶金制造、透波、光學等領域，充分體現(xiàn)了“全能冠軍”的特征。

氮化硅陶瓷的應用領域

航空航天

多孔氮化硅陶瓷具有相對較高的抗彎強度和更低的密度，這是其在航空航天領域得到應用的關鍵因素之一。它還具有抗蠕變性，可提高結構在高溫下的穩(wěn)定性。這種材料具有多種附加特性，包括硬度、電磁特性和熱阻，作為透波材料被用來制作天線罩、天線窗。隨著國防工業(yè)的發(fā)展，導彈向高馬赫數(shù)、寬頻帶、多模與精確制導方向發(fā)展。氮化硅陶瓷及其復合材料具有的防熱、透波、承載等優(yōu)異性能，使其成為新一代研究的高性能透波材料之一。

氮化硅導彈天線罩(灰色)

機械工程

氮化硅陶瓷主要作為熱輻射保護管、燃燒嘴、坩堝等應用在冶金行業(yè)中。在機械行業(yè)中用作閥門、管道、分級輪以及陶瓷刀具，最廣泛的用途是氮化硅陶瓷軸承球，尤其是制成的氮化硅軸承被廣泛應用在風力發(fā)電設備中。

氮化硅陶瓷軸承球

2015年，中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術，成為繼美國庫斯泰克、日本東芝之后第三家，也是國內首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)。

電子器件

為順應電子科技領域系統(tǒng)化、智能化、集成化發(fā)展，半導體器件中電子芯片輸入功率持續(xù)升高，電路集成程度、排線密度越來越大，致使器件工作產(chǎn)生的熱量增多，為電子封裝基板散熱帶來困難，成為抑制器件提升工作效率的主要原因。氮化硅理論熱導率高，還具有高絕緣耐壓值、強抗氧化性以及與封裝內芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，能夠滿足大功率散熱基板材料的制備要求，可用于高速電路和IGBT、LG、CPV等大功率半導體器件的封裝散熱。

超細研磨

氮化硅陶瓷在超細研磨領域也占有一席之地。氮化硅硬度高，僅次于金剛石、立方氮化硼等少數(shù)超硬材料，且摩擦系數(shù)小，具有自潤滑性。在超細微粉和食品加工行業(yè)中，氮化硅陶瓷磨介球的性能相對于傳統(tǒng)的研磨球而言，其硬度更高，耐磨性更優(yōu)越。

生物醫(yī)學

隨著生物醫(yī)學材料研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷不僅具有良好的生物相容性與成骨性，還能與細胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性，并且具有較好的成像性能，是一種理想的生物醫(yī)學材料。其在生物傳感器、脊柱、骨科、牙科等植入物方面得到初步應用。

氮化硅生物醫(yī)學材料

化學及冶金工業(yè)

氮化硅陶瓷材料具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和優(yōu)良的機械性能，在冶金工業(yè)中可用作坩堝、燃燒嘴、鋁電解槽襯里等熱工設備上的部件。氮化硅陶瓷具有良好的抗氧化性，抗氧化溫度可高達1400℃，在1400℃以下的干燥氧化氣氛中保持穩(wěn)定，使用溫度可達1300℃。并且氮化硅材料能夠應用于急冷急熱的環(huán)境中，因此其在冶金工業(yè)也有著極廣泛的應用。

小結

從全面的性能以及廣泛的用途來看，稱氮化硅（陶瓷）為全能冠軍并不夸張。

參考來源：

[1]宋殊銳等.材料世界的“全能冠軍”———氮化硅的結構、性質、制備及應用

[2]波等.氮化硅陶瓷在四大領域的研究及應用進展

[3]中國粉體網(wǎng)、粉體大數(shù)據(jù)研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除