“黑色陶瓷鋼”----氮化硅陶瓷的應用盤點

發布時間 | 2019-08-19 17:47 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4587

氮化硅氮化鋁氧化鋁

導讀：

氮化硅陶瓷是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類材料，被認為是最具有發展應用前景的高溫結構陶瓷材料之一。氮化硅陶瓷力學性能好，化學性質穩定，并且具有較好的耐磨損性和一定的自潤滑性能。因此，氮化硅陶瓷廣泛應用于高性能陶瓷軸承、絕熱零件、干式切削刀具、散熱基板上。今天小編對這些應用方向做一個盤點，并重點介紹其頗受關注的領域。

精密陶瓷軸承

在高性能軸承領域，氮化硅陶瓷一直被寄予厚望。與一般的軸承鋼相比，氮化硅軸承密度只有軸承鋼的40％左右，用作滾動體時，軸承旋轉時受轉動體作用產生的離心力減輕，因而有利于高速旋轉。除了輕質以外，高強也是其特點，氮化硅陶瓷的彈性模量是一般軸承鋼的1.5倍，經過熱壓燒結制備的氮化硅陶瓷，在室溫下，抗彎強度能夠達到800-1050 MPa，斷裂韌性可達到6-7 MPa·m^1/2。

圖1 中材高新生產的氮化硅軸承及滾動體產品（圖片來源：中材高新）

除了輕質高強的特性外，壽命問題對于軸承而言是一個極其重要的指標。氮化硅軸承耐高溫耐腐蝕，具有極好的化學穩定性。輕質的特點，使得其高速轉動時候離心力顯著降低，大大減小對軸承外圈的壓力和摩擦力矩，試驗表明，混合陶瓷軸承與同規格同精度等級的鋼軸承相比，其壽命提高3-6倍。

在大功率風力發電領域，發電設備維護難度大，采用低磨損，具有自潤滑性的氮化硅滾珠軸承，使維護成本大大降低，讓風力發電設備的使用壽命更加長久，性能更加穩定。圖2為應用于風力發電設備上的大尺寸氮化硅軸承。

圖2 大尺寸氮化硅陶瓷軸承球是大功率風力發電機的關鍵零件

除了風力發電設備，精密陶瓷軸承已在電鍍設備、高速機床、醫療裝置、化工設備、低溫工程等精密傳動系統獲得越來越多的應用，而氮化硅陶瓷作為軸承球材料可以說是氮化硅陶瓷生產技術的制高點，也是國際上技術競爭與壟斷最為顯著的領域。

國際上研究氮化硅陶瓷陶瓷軸承及軸承球較為領先的公司有日本精工株式會社(NSK)、日本光洋精工株式會社(KOYO)、瑞典的斯凱孚(SKF)以及德國的舍弗勒(FAG)等公司。國內而言，如中材高新氮化物陶瓷有限公司、北京中興實強陶瓷軸承有限公司和江蘇金盛陶瓷科技有限公司等也已經具備了批量生產氮化硅陶瓷軸承及軸承球的能力。

圖3 山東工陶院大門（1986年）。山東工陶院是國內最早開展氮化硅研究的單位，中材高新氮化物公司繼承了山東工業陶瓷研究設計院與中材人工晶體研究院多年來的研究成果和優勢資源，在1996年建成國內首條年產80萬粒氮化硅陶瓷軸承球中試生產線。

自潤滑刀具

目前，切削技術向干式切削方向發展，干式切削不需要使用傳統的切削液，可以省去儲存、處理切削液的費用，并且杜絕切削液排放對環境的污染。在干式切削中，自潤滑刀具成為其發展的關鍵技術。氮化硅陶瓷具有自潤滑特性、低摩擦系數的特點使之成為自潤滑刀具材料的理想材料。試驗表明，當氮化硅的表面精加工至0.05μm～0.025μm時，摩擦系數可達0.01，在干摩擦條件性耐磨性良好。

圖3 上海華昇科技生產的氮化硅純陶瓷銑刀（圖片來源：華昇科技）

陶瓷散熱基板

目前，市場上主要流行使用的覆銅陶瓷基板材料有兩種：Al2O3和AlN。在覆銅過程中，因為金屬銅和陶瓷材料的熱膨脹系數有較大的差別，所以在高溫條件下的覆銅之后，會在陶瓷基板中產生較大的附加熱應力。并且，由于電子封裝基板自身的周期性使用特性，在頻繁的升溫和降溫過程中也會陸續地在陶瓷基板上產生熱應力。因此經過漫長時間的使用以后，在基板內部很容易有微小的裂紋產生和擴展，故很容易讓封裝基板產生破裂從而失效。針對以上問題，氮化硅陶瓷基板不僅具有高導熱的特點，并且其強度、韌性等力學性能指標顯著高于傳統的氮化鋁和氧化鋁，是極具應用前景的散熱基板材料。