【原创】氮化硅为何“零差评”？

中国粉体网讯  你敢想象，氮化硅最初被发现后，竟然只是被用作“肥料”。人们认为硅与氮结合，然后将氮化硅作为肥料撒在地面上，可以向植物释放氮气。

后来，人们意识到氮化硅可能为一种性能优异的结构陶瓷材料，接下来的研究证实了这一点。因此，凭借耐高温、耐磨损、低密度、高强度、高硬度等优异性能，氮化硅陶瓷不断被应用于冶金、宇航、能源、机械、军事技术、光学和玻璃工业等各个领域。

于是，氮化硅（陶瓷）材料被认为是一种各方面十分完美的陶瓷材料，人们也毫不吝啬的赋予了其很多“牛哄哄”的称号，如“材料世界的全能冠军”、“综合性能最好的陶瓷材料”“陶瓷钢”等等。

01.全能的秘密

氮化硅(Si3N4)是共价键程度达70%的强共价化合物，其晶体的基本结构单元是一个硅氮四面体，硅原子位于四面体的中心，氮原子分别位于四面体的顶点。每个氮原子又被3个相互交叠的四面体共用，形成连续、稳定的空间网状结构。

氮化硅四面体结构单元示意图

一般认为，氮化硅晶体有3种晶型，分别为六方α晶系、六方β晶系和γ立方晶系。但γ-Si₃N₄只能在高温高压的条件下合成，因此，有关氮化硅结构的研究主要集中在α-Si₃N₄和β-Si₃N₄。晶体的性质与其空间结构紧密相连。β-Si₃N₄热力学性能优渥，能够耐受高于1420℃的高温，且在高温下会发生α构型到β构型的重建式转变。

氮化硅晶体结构：(a)α-Si₃N₄，(b)β-Si₃N₄，(c)γ-Si₃N₄

Si—N共价键具有方向性和饱和性，氮化硅作为共价晶体，原子之间的高结合强度赋予了其良好的硬度和机械强度，其陶瓷产品耐磨损，抗弯抗压能力强，氮化硅陶瓷磨损失效与金属相同，是以逐层脱落而非断裂式损坏。氮化硅密度小，与同体积的钢铁、合金钢、钛合金等材料相比质量轻得多。由于氮化硅四面体单元构成空间网状结构，氮化硅的化学稳定性强，能够抵御除氢氟酸外其他无机酸或碱的侵蚀。β-Si3N4致密的层状晶型排布方式也使得氮化硅具有极强的耐高温性和抗热震性。此外，其热膨胀系数小，导热率高，耐氧化温度高达1300~1400℃，当温度到达1800℃以上才会发生分解。

氮化硅还具有良好的抗菌活性和成骨性。高温烧制的氮化硅材料还会呈现由突出棱状β-Si₃N₄组成的微粗糙表面，这种特殊的表面结构可以影响细菌交互行为，有良好的抗菌效果，而且增加成骨细胞附着能力，为后续的成骨分化、骨成长打下基础。

从性质上看，氮化硅陶瓷性能的确十分全面。当然了，它毕竟是陶瓷材料，在韧性上我们无法苛求其像金属一般，但其断裂韧性仍是远远高于氮化铝、氧化铝等其他陶瓷材料（弱于氧化锆）。

02.“全能”的表现：氮化硅的应用

1955年，英国的Collin和Gerby采用反应烧结法首次生产出陶瓷形式的氮化硅，此后氮化硅的应用便主要以陶瓷形式展开。陶瓷制品充分发挥了材料本身良好的热学、化学和机械性能，拓宽了氮化硅的商业应用领域，顺应了新兴技术与高端产业发展浪潮，其广泛被应用在机械工程、半导体电子、生物医学、冶金制造、透波、光学等领域，充分体现了“全能冠军”的特征。

氮化硅陶瓷的应用领域

航空航天

多孔氮化硅陶瓷具有相对较高的抗弯强度和更低的密度，这是其在航空航天领域得到应用的关键因素之一。它还具有抗蠕变性，可提高结构在高温下的稳定性。这种材料具有多种附加特性，包括硬度、电磁特性和热阻，作为透波材料被用来制作天线罩、天线窗。随着国防工业的发展，导弹向高马赫数、宽频带、多模与精确制导方向发展。氮化硅陶瓷及其复合材料具有的防热、透波、承载等优异性能，使其成为新一代研究的高性能透波材料之一。

氮化硅导弹天线罩(灰色)

机械工程

氮化硅陶瓷主要作为热辐射保护管、燃烧嘴、坩埚等应用在冶金行业中。在机械行业中用作阀门、管道、分级轮以及陶瓷刀具，最广泛的用途是氮化硅陶瓷轴承球，尤其是制成的氮化硅轴承被广泛应用在风力发电设备中。

氮化硅陶瓷轴承球

2015年，中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了热等静压氮化硅陶瓷球批量化制造技术，成为继美国库斯泰克、日本东芝之后第三家，也是国内首家形成批量化生产热等静压氮化硅陶瓷材料的企业。

电子器件

为顺应电子科技领域系统化、智能化、集成化发展，半导体器件中电子芯片输入功率持续升高，电路集成程度、排线密度越来越大，致使器件工作产生的热量增多，为电子封装基板散热带来困难，成为抑制器件提升工作效率的主要原因。氮化硅理论热导率高，还具有高绝缘耐压值、强抗氧化性以及与封装内芯片材料相匹配的热膨胀系数，能够满足大功率散热基板材料的制备要求，可用于高速电路和IGBT、LG、CPV等大功率半导体器件的封装散热。

超细研磨

氮化硅陶瓷在超细研磨领域也占有一席之地。氮化硅硬度高，仅次于金刚石、立方氮化硼等少数超硬材料，且摩擦系数小，具有自润滑性。在超细微粉和食品加工行业中，氮化硅陶瓷磨介球的性能相对于传统的研磨球而言，其硬度更高，耐磨性更优越。

生物医学

随着生物医学材料研究的不断深入，人们发现氮化硅陶瓷不仅具有良好的生物相容性与成骨性，还能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性，并且具有较好的成像性能，是一种理想的生物医学材料。其在生物传感器、脊柱、骨科、牙科等植入物方面得到初步应用。

氮化硅生物医学材料

化学及冶金工业

氮化硅陶瓷材料具有优异的化学稳定性和优良的机械性能，在冶金工业中可用作坩埚、燃烧嘴、铝电解槽衬里等热工设备上的部件。氮化硅陶瓷具有良好的抗氧化性，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，使用温度可达1300℃。并且氮化硅材料能够应用于急冷急热的环境中，因此其在冶金工业也有着极广泛的应用。

小结

从全面的性能以及广泛的用途来看，称氮化硅（陶瓷）为全能冠军并不夸张。

参考来源：

[1]宋殊锐等.材料世界的“全能冠军”———氮化硅的结构、性质、制备及应用

[2]波等.氮化硅陶瓷在四大领域的研究及应用进展

[3]中国粉体网、粉体大数据研究

（中国粉体网编辑整理/山川）

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