先進(jìn)陶瓷是制造業(yè)近年來最受關(guān)注的領(lǐng)域之一，作為一類新興材料其相關(guān)產(chǎn)品憑借著多項優(yōu)異特性在社會中發(fā)揮著重要的作用。其中，“氮化硅（Si₃N₄）”因具有高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和高耐磨性等優(yōu)異特性，各方面較為平衡，更是被譽(yù)為是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類，常被用于制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。

不過氮化硅看似樣樣好，卻也存在一個“短板”，那就是熱導(dǎo)率不高，不易傳熱。因此難以避免的會在一些對導(dǎo)熱率有要求的應(yīng)用領(lǐng)域遭受冷遇，比如說半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所需的陶瓷基板，雖然很多人都希望氮化硅可以在該領(lǐng)域大展拳腳，但無奈機(jī)械性能再佳也難以彌補(bǔ)其熱導(dǎo)率不足且成本高而與競爭品落下的距離。當(dāng)然話不能說這么死，隨著制備工藝的提升，氮化硅陶瓷基板的熱導(dǎo)率已經(jīng)有了明顯的上升，因此相關(guān)應(yīng)用進(jìn)程也在一直推進(jìn)中。

不過熱導(dǎo)率不佳不代表就一定會阻礙氮化硅的應(yīng)用推廣。對于這種又耐高溫，又不易傳熱的材料，恰恰一些“水深火熱”的地方就很需要，比如說發(fā)動機(jī)，當(dāng)使用氮化硅陶瓷來制造發(fā)動機(jī)部件的受熱面，不僅可以提高柴油機(jī)質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率，目前中國及美國、日本等國家都已研制出了這種柴油機(jī)。

氮化硅在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

在早期，無論是汽油或者柴油發(fā)動機(jī)，里面的部件其實都是以金屬材料為主。不過為了提高熱效率，從上世紀(jì)90年代起業(yè)界便開始采用新型高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料代替金屬部件。

當(dāng)時的研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行替代后，由于陶瓷的耐火度高，可使進(jìn)入渦輪機(jī)的氣體溫度提高到1600-1800℃，不用采取冷卻等措施；而超級合金所能承受的臨界溫度一般不超過1000-1050℃。最終燃汽渦輪發(fā)動機(jī)的有效系數(shù)提高6%-10%；燃耗降低10%-30%，甚至不用價格昂貴的金屬或稀有金屬（如 Co、Ni、W 等），可以使用熱值較低的燃料。

渦輪發(fā)動機(jī)構(gòu)造

而氮化硅由于燒結(jié)時生成針狀或者長柱狀β型結(jié)晶相的緣故，與其它結(jié)構(gòu)陶瓷材料相比具有更好的耐熱性、斷裂韌性、強(qiáng)度，能抵抗冷熱沖擊，哪怕在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂，因此作為高溫結(jié)構(gòu)材料在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域受到重用。在1998年時日本推出了輸出功率為322kW陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)，所用的大部分材料是氮化硅陶瓷，其熱效率高達(dá)42.1%，較常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)高出一倍有多。可見，氮化硅的加入，確實為發(fā)動機(jī)帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇。

另外，氮化硅高溫結(jié)構(gòu)件的重要應(yīng)用場合還有飛機(jī)的渦輪發(fā)動機(jī)。以飛機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)為例，燃燒室燃燒區(qū)溫度高達(dá)1800-2000℃，引入氣流冷卻后，燃燒室壁溫仍然在900℃以上，常用高溫合金（鎳基及鈷基合金）板材制造，為防止燃?xì)鉀_刷、熱腐蝕和隔熱，還需要噴涂防護(hù)層；而氮化硅陶瓷耐熱，可在1400℃時仍然有高的強(qiáng)度、剛度。此外，氮化硅陶瓷比密度小，密度僅為鋼軸承的41%，可有效降低飛機(jī)發(fā)動機(jī)重量，減低油耗。

提高氮化硅部件質(zhì)量的方式

目前已研發(fā)的氮化硅材料為主的發(fā)動機(jī)陶瓷零部件中，加熱元件有起動電熱塞和進(jìn)氣預(yù)燃器火花塞；耐熱部件有渦流燃燒室鑲塊、燃油噴嘴針閥和進(jìn)、排氣控制閥；耐磨部件有搖臂鑲塊、挺桿和陶瓷滾動軸承；輕量件有增壓器渦輪轉(zhuǎn)子；此外還包括了燃?xì)廨啓C(jī)葉片、活塞冠和活塞銷、氣門和氣門導(dǎo)管、渦流室等。但是，要承受載荷并且滿足高剪切應(yīng)力下的高溫抗裂紋擴(kuò)展和抗蠕變的使用要求，需要進(jìn)一步提高氮化硅陶瓷的高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性能。

自增韌氮化硅陶瓷是近年來發(fā)展的一項重要的補(bǔ)強(qiáng)增韌技術(shù)。自1979年Lange通過增大β-Si₃N₄晶粒的長徑比，率先使氮化硅陶瓷的斷裂韌性達(dá)到6MPa·m以來。許多利用長柱狀晶種實現(xiàn)氮化硅陶瓷自增韌的研究結(jié)果被不斷報導(dǎo)。通常β-Si₃N₄自增韌陶瓷的制備方法多是以α-Si₃N₄粉和約 10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的 MgO，Y₂O₃-SiO₂或Y₂O₃-Al₂O₃等幾種添加劑通過熱處理合成。

β-Si₃N₄晶種形貌

此外，也可以使用高溫涂層來進(jìn)一步加強(qiáng)氮化硅陶瓷的高溫性能。如莫來石(Mullite)是 Al₂O₃-SiO₂在常壓下唯一穩(wěn)定存在的二元系化合物，化學(xué)通式為3Al₂O₃-2SiO₂。莫來石陶瓷的主要應(yīng)用之一是作為環(huán)境阻障涂層材料（EBC）尤其是用于硅基陶瓷部件的保護(hù)層，應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的高溫陶瓷部件。與氧化鋁、氧化鋯以及氧化釔穩(wěn)定氧化鋯等熱障涂層材料相比較，莫來石的熱膨脹系數(shù)與氮化硅陶瓷最為接近，高溫物相穩(wěn)定性好，可以有效地緩解改善高溫工作環(huán)境中硅基陶瓷部件的高溫腐蝕和熱腐蝕，在發(fā)動機(jī)的高溫陶瓷部件應(yīng)用中很具潛力。

資料來源：

發(fā)動機(jī)高溫部件的陶瓷材料應(yīng)用及性能測試，翟華嶂，李建保，吳疆，才鴻年。

發(fā)動機(jī)用新材料——氮化硅陶瓷，孫欽英 朱秀英。

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