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氮化物陶瓷（nitrideceramics）

一、关于氮化物陶瓷

氮化物一般是以MxNy表示氮化合物。根据氮化物的物理性质和

键的特点，氮化物可分为非金属氮化物和金属氮化物。氮化硼和氮化

硅属非金属氮化物。金属氮化物中又可分成过镀金属氮化物和非过渡

金属氮化物。过镀金属氮化物有氮化钛、氮化钼和氮化钨等。氮化铝

属非过渡金属氮化物。主要有氮化硅、赛龙、氮化铝、氮化硼等氮化

物陶瓷。氮与金属或非金属元素以共价键相结合的难熔化合物为主要

成分的陶瓷。

应用较广的陶瓷有四氮化三硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等

陶瓷。其中以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳，1400℃时开始活性

氧化，抗化学腐蚀性很好。有的还具有特殊的机械、介电或导热性能。

烧结较困难。先制出优质粉末原料，然后采用氮化反应烧结法和热压

烧结法、热等静压烧结法等制成陶瓷制品。

氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷滚珠

二、当代氮化物陶瓷的制备方法（以氮化硅陶瓷为例）

氮化硅陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料。该陶瓷于19世纪80年

代发现，20世纪五十年代获得较大规模发展。中国是在七十年代初

开始研究，到八十年代中期已取得一定成绩。该材料具有高的室温和

高温强度、高硬度、耐磨蚀件、抗氧化性和良好的抗热冲击及机械冲

击性能，被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良、最有希

望替代镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新材料。

因此近二、三十年来颇受青睐和重视。

氮化硅是共价键化合物。它有两种晶型：针状的α氮化硅和颗粒

状的β氮化硅。它们均属于六方晶系。氮化硅的晶体结构为Si原于和

周围的4个N原子形成共价键，构成[SiN4]四面体结构单元，所有四

面体共享顶角构成四维空间网络。正是由于[SiN4]四面体结构单元的

存在，氮化硅具有较高的硬度。

氮化硅陶瓷制备

粉体制备：氮化硅粉体都是人工合成的。大量研究表明，高质量粉

体是得到高性能陶瓷重要保证。作为制备高性能氮化硅材料所需的粉

体必须具备:窄的颗粒尺寸分布，低的金属杂质含量(Fe,Ti等)和氧含

量，价格低廉适中。

硅粉直接氮化：是制备氮化硅粉体最早发展的工艺，也是国内目前

应用最广泛的一种方法。该法相对比较简单，价格便宜，使用的原料

是多晶硅或单晶硅。但此法生产限于间歇式，得到氮化硅粉是块状的，

必须通过球磨才能得到细粉。

三、关于氮化物陶瓷改性技术介绍

1、稀土元素对氮化物陶瓷的改性

稀土元素是指元素周期表中IB族中的斓系元素以及与其性质相近

的抗(S。)和忆(Y)等共17种元素。由于稀土元素原子具有特殊的

电子层结构(4fxsdo一’652),同时具有电价高、原子半径大、化

学性活泼,氧化物的热稳定性、熔点和沸点都较高等特点,在各种材

料研究中己成为一类必不可少的改性添加剂。

（1）、稀土元素在Si3N4陶瓷材料中的应用

Si3N;陶瓷是一种很有前途的高温结构材料,然而,(51一N)键的共

价性导致Si3N4具有非常低的自扩散系数,即使在高温下也是如此

(N在。一Si3N;中的原子扩散系数为1.Zxzo一‘6exp(一233/

RT)mZ/尹习),从而难以烧结致密,因此必须借助于添加剂,通过

液相促进烧结致密化。较早使用的有效添加剂是MgO,它与Si3N;

颗粒表面固有的5102在高温下形成接近于MgsiO3一510:共熔

组分的液相,可以促进烧结。但这种共熔组分的熔点并不太高,加之

烧结助剂冷却后成为玻璃相残留在晶界上,成为引起该材料高温性

能下降的主要原因。近年来,以添加氧化物形态的稀土元素为烧结助

剂的研究收效显著。

1.1热压Si3N

对于热压Si3N;,稀土氧化物能与Si3N;或其表面的5102反应生

成低熔物,从而降低液相形成温度。原始粉料中的a相溶于液相,以

俘相形式析出,而月相能提高材料的强度和韧性。当YZO3加入量大

于lowt%时,还能形成耐火相Si3N4〃YZO3,改善热压Si3N;

的高温性能闭。但是YZO3单独作为添加剂促进致密化的效某较差,

而且稀土氧化物的种类不同,添加效果也有所不同。徐友仁等闭曾采

用LaZO3作添加剂,发现