氮化硅陶瓷 (Si3N4) 特性和應(yīng)用

    氮化硅具有比大多數(shù)金屬更好的高溫能力，同時保持高強度和抗蠕變性以及抗氧化性。此外，與大多數(shù)陶瓷材料相比，其低熱膨脹系數(shù)提供了良好的抗熱震性。

    生產(chǎn)：純氮化硅難以生產(chǎn)為完全致密的材料。這種共價結(jié)合的材料不容易燒結(jié)，也不能加熱到 1850oC 以上，因為它會分解成硅和氮。致密的氮化硅只能使用通過間接方法提供鍵合的方法來制造，例如添加少量化學(xué)物質(zhì)以幫助致密化。這些化學(xué)品被稱為燒結(jié)助劑，通常會引起一定程度的液相燒結(jié)。

    氮化硅的種類
    由于材料特性在很大程度上取決于制造方法，因此不能將氮化硅視為單一材料。

    氮化硅的三種主要類型是：

反應(yīng)鍵合氮化硅 (RBSN)
熱壓氮化硅 (HPSN)
燒結(jié)氮化硅 (SSN)

    反應(yīng)鍵合氮化硅是將壓實的硅粉直接氮化制成，由于難以保證完全反應(yīng)，因此很難達(dá)到高組分密度。通常密度范圍為 2300 - 2700kg.m-3，而熱壓和燒結(jié)氮化硅的密度為 3200kg.m-3。較高的密度使 HPSN 和 SSN 材料具有更好的物理特性，這意味著它們可用于要求更高的應(yīng)用。氮化僅產(chǎn)生很小的體積變化，這意味著 RBSN 組件在制造后不需要加工，并且可以在單個工藝階段生產(chǎn)復(fù)雜的近凈形狀。

     氮化硅陶瓷的應(yīng)用利用了氮化硅的以下特性：

低密度
高溫強度
優(yōu)越的抗熱震性
優(yōu)異的耐磨性
良好的斷裂韌性
機械疲勞和抗蠕變性
良好的抗氧化性

    應(yīng)用
該材料目前用于利基市場應(yīng)用，例如往復(fù)式發(fā)動機部件和渦輪增壓器、軸承、金屬切割和成型工具以及熱金屬處理。

往復(fù)式發(fā)動機組件
氮化硅部件的最大市場是用于燃燒部件和磨損部件的往復(fù)式（柴油和火花點火）發(fā)動機。它們的發(fā)展是一項比想象中更加困難和復(fù)雜的任務(wù)。成本因素和大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜陶瓷元件的嚴(yán)重技術(shù)問題限制了增長，但該材料也遇到了設(shè)計保守主義和對陶瓷元件可靠性的擔(dān)憂。 

    小型致密燒結(jié)氮化硅部件用于汽車和卡車發(fā)動機，用于應(yīng)力和溫度相對較低且故障后果不是災(zāi)難性的應(yīng)用。組件示例包括：

    柴油機：用于更快啟動的電熱塞、預(yù)燃室（渦流室）可實現(xiàn)更低排放、更快啟動和更低噪音、渦輪增壓器（直徑約 10 厘米）可減少發(fā)動機滯后和排放。

    火花點火發(fā)動機：降低磨損的搖臂墊、渦輪增壓器（直徑約 5 厘米）可降低慣性和減少發(fā)動機滯后排氣控制閥以增加加速度。

    高純氮化硅粉體的應(yīng)用及優(yōu)勢
    大多數(shù)這些組件是在日本和美國制造的。作為生產(chǎn)水平的例子，估計每年生產(chǎn) 300,000 個燒結(jié)氮化硅渦輪增壓器。在美國，減排推動了陶瓷部件的發(fā)展，部件主要用于中型和重型發(fā)動機。在日本，提高性能一直是主要驅(qū)動因素，這些部件用于輕型發(fā)動機。

    現(xiàn)在，開發(fā)工作的重點是在需要低質(zhì)量或增加耐磨性的應(yīng)用中謹(jǐn)慎引入更多組件，例如排氣門和氣門彈簧。 

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