氮化硅陶瓷是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類材料，被認(rèn)為是最具有發(fā)展應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一。氮化硅陶瓷力學(xué)性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(yīng)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(yīng)用方向做一個盤點，并重點介紹其頗受關(guān)注的領(lǐng)域。

精密陶瓷軸承

在高性能軸承領(lǐng)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(zhuǎn)時受轉(zhuǎn)動體作用產(chǎn)生的離心力減輕，因而有利于高速旋轉(zhuǎn)。除了輕質(zhì)以外，高強(qiáng)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(jīng)過熱壓燒結(jié)制備的氮化硅陶瓷，在室溫下，抗彎強(qiáng)度能夠達(dá)到800-1050 MPa，斷裂韌性可達(dá)到6-7 MPa·m^1/2。

圖1 中材高新生產(chǎn)的氮化硅軸承及滾動體產(chǎn)品（圖片來源：中材高新）

除了輕質(zhì)高強(qiáng)的特性外，壽命問題對于軸承而言是一個極其重要的指標(biāo)。氮化硅軸承耐高溫耐腐蝕，具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性。輕質(zhì)的特點，使得其高速轉(zhuǎn)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(guī)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，發(fā)電設(shè)備維護(hù)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(hù)成本大大降低，讓風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的使用壽命更加長久，性能更加穩(wěn)定。圖2為應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵零件

除了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，精密陶瓷軸承已在電鍍設(shè)備、高速機(jī)床、醫(yī)療裝置、化工設(shè)備、低溫工程等精密傳動系統(tǒng)獲得越來越多的應(yīng)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(chǎn)技術(shù)的制高點，也是國際上技術(shù)競爭與壟斷最為顯著的領(lǐng)域。

國際上研究氮化硅陶瓷陶瓷軸承及軸承球較為領(lǐng)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(nèi)而言，如中材高新氮化物陶瓷有限公司、北京中興實強(qiáng)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(jīng)具備了批量生產(chǎn)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(nèi)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(yè)陶瓷研究設(shè)計院與中材人工晶體研究院多年來的研究成果和優(yōu)勢資源，在1996年建成國內(nèi)首條年產(chǎn)80萬粒氮化硅陶瓷軸承球中試生產(chǎn)線。

自潤滑刀具

目前，切削技術(shù)向干式切削方向發(fā)展，干式切削不需要使用傳統(tǒng)的切削液，可以省去儲存、處理切削液的費(fèi)用，并且杜絕切削液排放對環(huán)境的污染。在干式切削中，自潤滑刀具成為其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。氮化硅陶瓷具有自潤滑特性、低摩擦系數(shù)的特點使之成為自潤滑刀具材料的理想材料。試驗表明，當(dāng)?shù)璧谋砻婢庸ぶ?/span>0.05μm～0.025μm時，摩擦系數(shù)可達(dá)0.01，在干摩擦條件性耐磨性良好。

圖3 上海華昇科技生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生較大的附加熱應(yīng)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(xù)地在陶瓷基板上產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此經(jīng)過漫長時間的使用以后，在基板內(nèi)部很容易有微小的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，故很容易讓封裝基板產(chǎn)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(dǎo)熱的特點，并且其強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能指標(biāo)顯著高于傳統(tǒng)的氮化鋁和氧化鋁，是極具應(yīng)用前景的散熱基板材料。

圖4 陶瓷散熱基板性能比較

以上三大領(lǐng)域是目前氮化硅陶瓷最為矚目的應(yīng)用方向，除此之外，氮化硅陶瓷作為絕緣零件、陶瓷管等結(jié)構(gòu)零部件也在各個細(xì)分領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。接下來僅簡單介紹。

絕緣零件

氮化硅陶瓷制成的絕緣環(huán)、隔熱罩、絕緣套等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于多晶硅反應(yīng)還原爐，不僅耐高溫，還可延長設(shè)備壽命，凸顯了先進(jìn)氮化硅陶瓷在能源環(huán)境領(lǐng)域的特有價值。

圖5 多晶硅還原爐上的氮化硅絕緣套、絕緣環(huán)

氮化硅陶瓷管

在鑄鋁行業(yè)各種設(shè)備零部件中，氮化硅陶瓷可以用于升液管、加熱器保護(hù)管、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子以及熱電偶保護(hù)管。

圖6 鑄鋁行業(yè)的各類設(shè)備零件由于高溫高腐蝕環(huán)境，均需要氮化硅陶瓷管的“保護(hù)”

小結(jié)

氮化硅具有“黑色陶瓷鋼”的美譽(yù)，具有極高的力學(xué)性能，良好的散熱性能，自潤滑性，耐疲勞性。在其諸多應(yīng)用方向中，氮化硅陶瓷作為軸承球、切削刀具、散熱基板的研究與應(yīng)用最為受到工業(yè)界和實驗室的關(guān)注，相信其憑借獨(dú)特性能在未來仍有廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進(jìn)展，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，吳慶文，胡豐，謝志；清華大學(xué)，謝志鵬。

氮化硅軸承球滾動接觸疲勞性能的研究現(xiàn)狀，上海材料研究所，祁海，張培志，郭方全。

By：火宣