气压烧结氮化硅陶瓷的研究与应用进展
摘 要：氮化硅陶瓷具有强度高、硬度高、耐磨、耐腐蚀等特点。是一种综合性能相当高的结构材料。气压法烧结氮化硅能够提高烧结温度从而促进氮化硅陶瓷减少总体积、缩短颗粒间距、收缩烧结体积、增大密度，而且适于烧制形状复杂的产品。所以气压烧结技术非常经济、实用。本文主要叙述氮化硅陶瓷气压烧结工艺的基本原理、对于工艺上面的要求及烧结过程，及气压烧结氮化硅陶瓷的一些应用。
关键词：氮化硅；气压烧结；烧结助剂；二步烧结法；应用进展
1 气压烧结的简介及基本原理
气压烧结是将陶瓷素胚在高温烧结的过程中，增加一定的气体压力，通常为氮气，用来消除高温下陶瓷材料的分解和失重，以此提高烧结温度，促进材料致密化，形成高密度的陶瓷。通过实验发现，在提高氮气压力的同时采用埋粉技术，可以取得良好的烧结结果。近几十年以来，气压烧结技术得到了相当多的关注，也经常被研究，烧结材料的范围在慢慢加大，这项烧结技术已经成为高性能陶瓷材料的重要技术。
气压烧结技术最大的优点就是能够大幅度的降低成本，完善产品性能，可以大批量生产异型件，气压烧结工艺可以烧制含助烧剂较低、具有良好高温性能的氮化硅陶瓷材料。气压烧结对于原材料具有一定的要求。首先要求必须是亚微米级别超细粉末，这种氮化硅粉末表面能较高，团聚较少，烧结过程中驱动力大。另外氮化硅低温稳定晶型到氮化硅高温稳定晶型属于变相的结构重建，温度在1420摄氏度，这是高温转变过程中不可逆转的过程，同时还能提高材料的断裂韧性。
一般情况下，气压烧结仍然需要助烧剂，因为氮化硅在1700摄氏度就会分解和蒸发，所以通过固相烧结是没办法将氮化硅减少总体积、缩短颗粒间距、收缩烧结体积、增大密度，所以必须添加烧结添加剂，其实也是变相的提供了溶剂，用来改变液相粘度，实现一个高温性能和软化温度的作用。烧结添加剂与氮化硅的超细粉末与烧结添加剂产生化学反应，形成液相来实现烧结致密化。
通过实验我们发现，氮化硅在大约1860摄氏度的时候会直接升华分解为硅气和氮气，这说明了氮化硅没有熔点。较高的氮气压力对压制氮化硅的分解具有十分显著的作用。
2 二步和多步气压烧结法
二步气压需要在低气压下，将毛坯胚体烧到封闭内部气孔，然后在高压和高温的状态中进行二次烧结，更加进一步的将内部气孔进行排除，增加胚体的致密化，这就是二步气压烧结法。后来的实验中，随着氮气压力的加大。烧结密度反而越来越小，这是因为高压下的氮气抵消了气孔排除驱动力，所以这就是二步气氛压力烧结新工艺。
随着多次实验，二步气压烧结法也得到了进一步的发展，出现了多步气压烧结法，用来烧结氮化硅，并在一定的条件下烧结出了更好的产品，由此多步气压烧结法得到了世界多方面的认可并进行了应用，从而取得了良好的成效。
3 气压烧结氮化硅陶瓷的应用
氮化硅陶瓷的应用是在上世纪50年代在英国开展的，70年代由于美国国防部项目局投入大量资金让福特汽车公司和西屋电气公司研究验证脆性材料在高温发动机上的应用，才使世界上掀起了研究氮化硅陶瓷的浪潮。关于氮化硅的研究成果也是大量发表出来。我国也不例外，不仅研究了氮化硅陶瓷，还开发了相关的产品，获得了一定的成功。
氮化硅陶瓷目前在国防、航天航空、机械、电子等领域具有广泛的应用。汽车及航空发动机都需要轴承，通过各项实验筛选，使用寿命最长的就是氮化硅陶瓷轴承，氮化硅轴承大幅度提高了轴承的性能，基本上能满足风力发电机等大轴承的需要，由于生产成本低，也可以大批量进行生产。航天航空领域中，对材料的苛刻指数更是挑战了各类材料的极限，不仅要求质量好，更是要求必须轻盈，耐高温，经过大量实验证明，氮化硅能够满足以上条件，也因此取代了合金、不锈钢等材料，氮化硅是领先技术的陶瓷材料，其优势是其他材料无可替代的。
氮化硅陶瓷作为发动机上的热塞，能够更快的启动发动机；作为活塞顶，能够减少气缸面的磨损；作为排气控制阀，能够提升加速，减少气体的泄露；作为涡轮增压器，能够降低惯性；作为燃料喷射气门导管，能够减少磨损，降低排放；作为卫星轨道火箭燃烧室的推动器，能够承受高温气体燃烧，质量轻；目前最新开发的氮化硅陶瓷螺旋弹簧，不仅能够在高温下保持高强度，还具有耐腐蚀性。
4 结语
氮化硅作为重要的陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐腐蚀性及耐磨损等相关优势，随着时代的不断进步，科技的不断进步，烧结法也在不断地完善，气压烧结法生产的氮化硅陶瓷的优势也逐渐明显起来。在高温、高速以及高腐蚀性的环境中工作，更是具有特殊的价值及意义。氮化硅陶瓷在诸多行业领域内都具有潜在的用途和意义。所以今后需要不断地改进氮化硅陶瓷的制作技术，实现既能降低成本，又能提高氮化硅陶瓷材料的可靠性和韧性的美好愿望。
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