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综合性能最佳的陶瓷——氮化硅陶瓷

氮化硅(Si3N4)陶瓷

氮化硅陶瓷具有强度高、硬度高、耐高温等优良性能,其硬度可达HRA91~93;热硬性好,可耐1300~1400℃高温;与碳及金属元素的化学反应小,导致其摩擦系数低;具有自润滑性,耐磨;耐腐蚀性强,除氢氟酸外,不与其他无机酸反应,高温下具有抗氧化性;还具有良好的抗热震性,即使在空气中急冷再急热也不会破碎;氮化硅陶瓷的高温蠕变小,在高温和定荷载作用下产生的缓慢塑性变形小。

此外,氮化硅陶瓷还具有比强度高、比模量高、热导率高、电性能优良等优点,因此在高温、高速、强腐蚀介质等极端环境下有特殊的应用价值,被认为是极有发展应用前景的结构陶瓷材料之一,在许多需要经受考验的场合往往是首选材料,下面就这些应用方向进行盘点。

关于氮化硅的应用,最早出现于20世纪50年代,作为碳化硅与氧化物的结合,相当于耐火材料,之后用于制作坩埚、热电偶管、火箭喷嘴等。20世纪60年代,随着对高温性能优良的新材料的需求增加,氮化硅陶瓷的发展速度大幅提升。目前,氮化硅材料的开发以陶瓷、电子工业为主,并不断向其他应用领域拓展。

1. 氮化硅陶瓷轴承
陶瓷轴承自1972年开发以来,得到了迅速的发展,被广泛应用于精密机床、汽车、航空发动机、化学仪器、超导装置等领域。作为轴承材料,最基本的特性就是滚动疲劳寿命。为了评估各种陶瓷轴承的适用性,用陶瓷板进行滚动寿命试验,滚动寿命大小顺序为氧化铝<碳化硅<氧化锆<氮化硅。可见,在上述四种常见工程结构陶瓷中,Si3N4最适合用作轴承材料。

2.航空航天
航空航天领域对材料性能的要求非常苛刻,挑战了传统材料的极限。Si3N4高温强度高、断裂韧性好、硬度高、介电强度高、抗热震性好、摩擦学性能好,能保证机械可靠性和耐磨性,是航空航天应用的良好选择。可用作火箭燃烧室推力器,用于控制卫星轨道。由于高温燃烧可以获得更大的推进力,所以需要材料不仅重量轻,还要能耐高温。

3.汽车发动机高温部件
汽车发动机上应用的Si3N4陶瓷部件有涡轮增压器涡轮转子、预热燃烧室、摇臂镶块、喷油器连杆、气门导管、陶瓷活塞顶、预热塞等,特别是难度最大的陶瓷转子产品,已进入某些陶瓷发动机,小型涡轮转子已进入商业规模生产

4. 氮化硅陶瓷散热基体
氮化硅陶瓷的热导率虽然低于氮化铝和氧化铍,但明显高于一般结构陶瓷,基本能满足基体的散热要求;而且氮化硅陶瓷的强度和断裂韧性远高于其他基体型陶瓷,是综合性能优异的散热基体材料,在高铁、电动汽车的电子控制系统中已得到实际应用。

总之,氮化硅陶瓷作为综合性能最为优异的结构陶瓷材料,其应用方向十分广泛。已经引起了工业界和实验室的关注,相信凭借其独特的性能,氮化硅在未来仍有广阔的发展空间。

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