三种典型氮化物陶瓷的制备及应用

氮化物陶瓷材料由于具有高硬度、高熔点、高热导率、良好的化学稳定性以及优异的电磁光学性能，在航空航天、机械、电子和国防等领域得到了广泛的应用。氮化物陶瓷的制备方法主要有直接氮化法、固相烧结法、CVD法、先驱体浸渍-裂解法、自蔓延高温合成法等。其中直接氮化法、固相烧结法、自蔓延高温合成法主要用于制备氮化物粉体，需要较高的温度；CVD法和先驱体浸渍-裂解法主要用于制备氮化物涂层和复合材料，均需要预先设计并合成先驱体分子，设备复杂，合成困难，成本昂贵，且欲制备出性能满意的产品需要较长的周期。

以三种典型的氮化物陶瓷材料为例，看看它们的制备与应用。

01氮化硅陶瓷

氮化硅（Si3N4）陶瓷是非氧化物陶瓷中发展较快的一种工程陶瓷，硅、氮之间以共价键结合形成［SiN4］四面体结构单元，使陶瓷具有高强度、高硬度、优良的抗氧化和耐腐蚀性能。这些优异性能很大程度上取决于原料粉体的性能，因此高纯度、高α相含量、粒径分布窄的氮化硅粉体的制备至关重要。氮化硅粉体的合成方法主要有直接氮化法、碳热还原法、硅酰亚胺分解法、等离子法等，其中直接氮化法因工艺简单，生产过程中无毒副产物以及产品可重复性好，是目前工业化生产中最常用的方法。

氮化硅有两种结晶形态，即细颗粒状的α-Si3N4和针柱状的β-Si3N4。坯体中细颗粒的α-Si3N4在烧结温度下可转变为针柱状的β-Si3N4，起到自增韧的作用，因此氮化硅陶瓷比碳化硅陶瓷具有更高的强度和韧性，更适合制备陶瓷刀具、轴承等需要高强度和高韧性的陶瓷制品。氮化硅陶瓷刀具通常采用热压烧结，以降低烧成温度、抑制晶粒长大、提高其致密化程度。氮化硅陶瓷轴承材料不仅需要高的强度和韧性，而且对晶粒尺寸和致密化的要求也很高。为此，常采用两次烧结的工艺，即先用气压烧结至相对密度90％以上，使表面气孔基本封闭，然后再进行热等静压烧结，使其相对密度达到99.8％以上。

02氮化硼陶瓷

氮化硼（BN）有两种典型的晶体结构，即六方氮化硼和立方氮化硼。高纯度氮化硼粉体是制备高性能氮化硼陶瓷的前提，主要制备方法有先驱体法、水热法、化学气相合成法以及高温自蔓延合成法等。但这些合成方法均存在一些不足，如先驱体法制备的氮化硼粉体密度较低，水热法的产率低，化学气相合成法需要精准控制的工艺参数多且副产物的回收处理困难等。因此，低成本高纯度氮化硼粉体的产业化合成仍然是氮化硼陶瓷获得更广泛应用的技术瓶颈。

目前六方氮化硼陶瓷主要用作高温绝缘材料、润滑材料（如热压模具的脱模剂）以及熔炼金属的坩埚等，立方氮化硼陶瓷则主要用于制作切削刀具、磨具和研磨或抛光材料。

03氮化铝陶瓷

氮化铝（AlN）陶瓷是一种高导热（热导率超过200Ｗ·ｍ-1·Ｋ-1）但绝缘的陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐高温等特点，因此用于大功率集成电路和电子元器件的散热基片具有独特优势。为了获得高导热的氮化铝陶瓷，首先应合成出高纯度、低氧含量的氮化铝粉；其次应尽量减少烧结助剂的用量，以减少阻隔热传导的晶界相；第三应尽可能在烧结中使氮化铝的结晶完整、晶粒尺寸均匀、组织致密。因此，采用高纯度、性能稳定、细粒径和窄粒径分布的氮化铝粉体和少量烧结助剂（纳米级氧化钇），配合热压烧结工艺是制备高导热氮化铝陶瓷理想的技术方案。

目前，合成氮化铝粉体的方法有铝粉直接氮化法、碳热还原法、气相合成法以及溶胶-凝胶法等。其中，铝粉直接氮化法具有原料丰富、工艺简单的优点，目前已应用于工业生产，但由于铝粉氮化为强放热反应，工艺过程不易控制，难以合成高纯度的氮化铝粉体。碳热还原法能合成出纯度高、性能稳定的氮化铝粉体，但同时也存在着反应温度高、合成时间长、且需要二次除碳等不足。气相合成法可在短时间内合成高纯度、粒径均匀细小的氮化铝粉体，且具有可控性和连续操作性，但该法生产效率不高，所用原料为价格较高的有机铝，因此该法多用于试验研究。